利用原子力显微镜研究衰老和癌细胞的纳米力学性质

 

如何使用AFM来研究老化过程和癌症相关细胞的纳米力学特性吗？

 

力显微镜是一种技术，可能是最好的描述与一个小的手指，只有几个原子的大小，可以触摸物体的顶部的帮助。这是一个学习的手指。

 

就像我们用手指学习周围世界的事情一样。你可以触摸，推动和抓取; 你可以看到你的手指粘在物体上的程度。生物细胞就是这些物体的一个例子。我们使用这种学习手指，AFM探针研究细胞的物理特性。我们看老龄化和癌症，因为这可能是最有趣和最具挑战性的话题。

 

击败老化是我们想象中的事情，因为即使你想到一些最疯狂的科幻小说，也没有描述人类不死的未来，因为人们不知道如何处理这个问题。

 

例如，老化是否预先编程是一个悬而未决的问题。我们不知道。有许多生化理论定义什么是老化。生物学本质上是生物化学。这些天我们可以研究物体的物理，特别是在小尺度上，如细胞水平的细胞。要做到这一点，你需要像手指一样的东西，原子力显微镜探头，因为它提供了一个物理的触摸，一个必须研究的物理信息。

 

当你这样做的时候，你首先要学习细胞的力学 - 他们对外部负荷的反应如何，压力，抓挠，甚至是挠痒痒。几乎是一个笑话，我们遇到了一个有趣的现象。当我们开始用尖锐的AFM探针刺激癌细胞和正常细胞（人宫颈上皮细胞）时，癌细胞开始爬行，而正常细胞保持静止。

 

如果你使用一个无聊的探针或球体，两种细胞类型都可以。这几乎就像癌细胞不喜欢发痒或类似的东西。这是我们尚未发表的观察结果。我们仍然不知道他们为什么这样做。这只是我们不了解癌症物理学的许多事情的一个例子。

 

也不知道癌症是什么，不管是一般认为的转变还是突变。从物理的角度来说，字面上是未知的，我认为力显微镜是唯一能够进行细胞综合研究的技术，包括细胞体的力学和细胞周围层的物理性质。

 

什么新的模式来使用AFM来研究活细胞和材料/聚合物的力学性能？

 

一种模式叫做FT-nanoDMA。FT代表傅里叶变换。测量细胞力学有不同的方法，但其中之一是非常自然的。你推一个单元格，开始用不同的频率振动探头，然后测量响应。

 

通常，它是按顺序进行的。你以一个频率振动，然后以另一个频率振动，等等。这需要时间。但是细胞还活着，因为它不断变化，所以它不是很适合测量。

 

我们所做的只是将所有这些振动频率一起发送。它导致相当快速的测量。原子力显微镜探针与样品之间的接触面积几乎保持不变，这对于定量测量来说是至关重要的。我们的估计显示，测量速度几乎增加了两个数量级。

 

这与空间分辨率有相似的改善; 我们发现分辨率增加了近百倍。高一百倍的分辨率是一个相当大的差异。例如光学显微镜和电子显微镜之间的区别。

 

我们刚刚发表了一年多。实际的实施需要一些额外的硬件来存在原子力显微镜。目前它已被纳米科学解决方案公司（NanoScience Solutions，Inc.）商业化

 

现在，就在两天前，我收到了接受我们另一篇描述另一种AFM模式的论文的通知。当您从样品表面断开AFM探针（您的学习手指）时，通常会拉起一些分子和一点点表面。所有的信息在那里。

 

但是，以前，这些信息被过滤掉了，因为在现有的次谐振分接模式下它被当作噪声处理。我们所做的是在过滤之前处理这些信息。它需要附加一些新的更快的电子到现有的AFM。所以在布鲁克原子力显微镜上已经完成了，但它应该适用于所有原子力显微镜，甚至是旧的。结果比我们预期的要好得多。

 

与现有的次谐振分接模式相比，我们可以记录多达8个新的信息通道，速度更快，人工效果更少。这种模式已经被纳米科学解决方案公司（NanoScience Solutions，Inc.）商业化

 

这是一个非常有前途的新模式。我们目前正在与医疗合作者一起将其用于癌症检测。

 

需要克服的主要挑战是什么？

 

我们不得不面对技术和社会/心理方面的挑战。关于技术挑战，原子力显微镜是一项相当年轻的技术。虽然已经差不多30年了，但它已经走过了所有新技术的同一个阶段。

 

一开始，人们兴奋不已，滥用技术，破坏了最初的兴趣泡沫。现在已经慢慢开始成为普遍接受的方法。不过，这需要大量的学习，而这正是学生必须做好准备的地方。用AFM拍一张照片并不是什么大不了的事，它只是记录AFM探针和样品表面之间的力相互作用。

 

但是，如果你不知道这可能是什么力量，那么你可能会得到一些文物和不正确的结果。这是最大的困难。AFM不仅仅是一种按钮式技术。你必须解释获得的图像。当然，有时候也有一些简单的例子，但是如果你真的在这个技术的边缘，那就是困难。

 

第二个困难与研究和教育有关。教育和研究如何在一起是有趣的。两者不断变化。五，十年前的字面意思就不一样了。在美国，如果你处于终身职位，你必须争取金钱。你必须写授予申请和文件。找时间去学习新的东西是非常困难的，要去实验室自己做。

 

因此，你通常很依赖学生。但他们有自己的议程，就是拿到博士学位。如果他们看到一个新的或更传统的方法比较复杂的方法，他们试图绕过它获得更快的结果。如果教授坚持，他们可能会说“我试了，效果不好”，然后他们用更简单的方法，而教授根本没有时间自己做。

 

这就是为什么流行的方法是最简单的方法。这就是AFM的问题，因为它捕捉了如此多的复杂性 - 你从字面上直接获得来自相互作用的信息，甚至纳米尺度的原子相互作用。你得到千兆字节的数据。如果你真的想要处理所有这些数据，就需要大量的知识和对正在观察的内容的解释。这是我认为正在减慢对这种技术的普遍接受。

 

这怎么能克服？

 

我认为这只是心理上的。有些人会意识到，为了使这个技术得到好的东西，你需要投入更多的时间。另一方面，技术不断发展，变得更加人性化。

 

现在，我可以比较一下布鲁克公司的几种新型AFM，例如自动变速器。你不需要有驾驶一辆标准汽车的知识。很多人喜欢它。学习感觉更快。就个人而言，我喜欢一些调整，但同时，我讨厌驾驶一辆非自动的汽车。

 

我认为随着时间的推移，人们肯定会得到一个真正用户友好的AFM。然而，物理学和纳米力量的知识需求仍然存在，并将永远存在。你需要真正的学习和理解什么是测量，这仍然是一个困难。

 

你能不能概述你是如何使用nanoDMA来研究粘弹性的？
你只需用一个预定义的力量推动一个表面来形成一些接触面，然后你就可以完全用几个频率振动探针。目前，我们使用十个频率进行工作，这对于许多应用来说已经足够了。

 

我们可以做更多。还需要平衡硬件成本和需要同时分析多少个频率。这种基于频率的方法是表征材料特别是软性材料（如细胞）的最独立于模型的方法。

 

目前的频率范围是从单个Hz到500Hz。最大频率是由以前的聚合物研究定义的。对于聚合物，有一个大的数据库，其信息的粘弹性高达300赫兹，这是金标准。有一些迹象表明，这可能是非常高的频率。还有其他人从事高频粘弹性测量的研究，但我认为低频率是重要的，特别是对于生物学。例如，对于细胞很重要，因为它们很软，而且不喜欢以兆赫兹的频率震动。

 

AFM如何直接推进或帮助研究？

 

AFM不仅可以测量力学和物理相互作用，还可以测量电性能，摩擦学和测量表面耐久性等。

 

AFM与扫描探针显微镜相同，是一系列不同的技术。虽然我们使用了相当多的技术，但是我不知道还有哪些技术能够获得如此大量的关于曲面的各种信息。我会说这是我最喜欢的技术，尽管我们使用了许多不同的方法来研究分子在表面上的自组装和细胞和组织的性质。

 

我最近开始研究organoids，这是一个非常受欢迎的完全不同的方法。这是因为，当你看肿瘤时，例如，甚至不清楚哪些细胞是癌细胞，哪些细胞不是癌细胞。这在单个细胞水平上几乎不可能识别。如果您在培养皿中观察细胞（体外），它们会在固体基质上以二维方式分离。它可能与真正的器官有很小的关系。

 

现在人们在做什么，他们已经开始使用明确的细胞来构建一种器官的胚胎/种子。这种子叫做呼吸器官。所有的细胞都是已知的。遗传构成是已知的。你知道哪些细胞是正常的，哪些是癌细胞。这是体内和体外两个世界之间的桥梁。

 

会议的重要性，像AFM生物医学会议，对AFM研究界来说是什么？

 

这是非常重要的，因为教授们很忙，而且所有的报纸都要阅读，很难对社区的边界和发生的事情有一个很好的认识。

 

人们不会公布负面结果，但是在会议上，至少可以提到这一点。从学习的角度来看，负面的结果可能比正面的教育更有教育意义。此外，您可以直接提问，这非常重要。

 

最后，这样的会议可以让人们相信这是值得一看的。也许这是困难的，但它是值得的。由于这样的会议涉及教授和学生，教授们还有更多的动机来推动学生更深入的调查。当然，私人关系对我们所有人都很重要，也促进了合作。

 

在线会议对于正在进行的协作是很好的，但是如果您正在考虑新的事情，您需要个人会议。而且，这对学生来说非常重要。有时，学生与教授和同学等合作者非常接近，但当他们开始看世界时，通常会激励他们很多。因此，这样的会议对他们来说非常重要。

 

会议总的来说非常重要，特别是生物医学应用中的力显微镜。生物医学领域在力显微镜创建之后就已经成为第一位。然而，迄今为止困难如此之多，原子力显微镜在医学上几乎没有应用。

 

我觉得这样的会议是非常重要的，因为我们正试图帮助孕育这一领域的医疗应用。我正在努力与医生合作，我看到这是多么困难。它不仅是不同的词汇，它是一个不同的宇宙，不同的范式和不同的目标。

 

为了有效地传达在医疗领域使用原子力显微镜的巨大优势，我们需要确定一个对医学来说可能特别有意思的话题。这种类型的会议是讨论这些议题的好地方，也可能是由AFM社区赞同的。

 

方向或者希望看到AFM在未来五年内走向何方？AFM的下一个大事是什么？

 

可能会有更快的电子产品，更复杂的算法和更友好的用户界面。提高速度是讨论中最有趣的部分之一 - 力显微镜是否会像实时视频一样快？我认为这样做，但是它的应用程序是有限的，而不是所有的样品。

 

其次，AFM探针的控制也是非常重要的。接触表面的探针通常通过反馈进行控制。例如，在反馈系统的扫描过程中，作用在探头和表面之间的负载力保持不变。目前，控制反馈系统与反馈控制社区中使用的相比是相当基本的。

 

现在是控制系统更加复杂的时候了。因此，力显微镜的速度将大大增加，同时保存样品。我认为未来的AFM将实施新的控制措施。