跨越尺度，触摸生命的“力量”：SENSOCELL免校准光镊助力细胞内力学进入定量时代
发布日期：2026-02-03
在生命科学的舞台上，细胞不仅演绎着精密的生化反应，更是一台时刻处于力学动态平衡的“微型机器”。从胚胎初始分裂时展现的刚性，到衰老过程中组织逐渐流露的柔软，这些微观的力学特性，实则是驱动发育、维持稳态、影响疾病进程的物理基石。然而，长久以来，科学家们缺少一种工具，能够直接、定量且无扰地深入活细胞内部，去测量一个细胞器的刚度，或解析一次分裂过程的力学驱动逻辑。
传统光镊技术虽能操控微粒，但其在复杂活体环境中的应用，常受限于侵入性损伤、繁琐的校准流程，以及对动态过程测量的乏力，西班牙Impetux公司开发的免校准生物型光镊系统 SENSOCELL，凭借其特有的 “直接光动量检测”技术，正在帮助全球实验室突破边界，将定量力学测量实验室“搬入”活细胞乃至活体生物内部。近期发表于《自然》系列期刊的两项里程碑研究，为我们揭示了这一平台如何解决领域内长期存在的核心难题。
挑战经典：无需完整收缩环，细胞如何分裂？
细胞通过收缩环一分为二，是教科书中的经典模型。但对于斑马鱼等胚胎细胞，其巨大的体积和卵黄使得完整的环无法形成。一个开放的、不闭合的肌动蛋白带，如何能产生足够且稳定的力来完成分裂？这成为发育生物学中一个悬而未决的物理谜题。
马普所Brugués课题组最近在Nature上发表的研究[1]，颠覆了传统认知。作者发现，驱动分裂的关键并非一个静态的结构环，而是一个由细胞质自身刚度周期性变化所驱动的 “力学棘轮”。
研究揭示，在细胞分裂间期，遍布细胞质的微管星体网络使细胞质变硬，如同一个刚性的模具，为正在生长的肌动蛋白带提供稳固的锚定与支撑。此时，尽管带在生长，却难以向内深陷。进入分裂期（M期），微管解聚，细胞质显著流体化，肌动蛋白带得以快速向内收缩，推动分裂沟形成。然而，流体化也带来了不稳定，导致带体两端回缩。
那么，分裂最终如何完成？奥秘在于胚胎快速的细胞周期。当进入下一个间期，细胞质重新硬化，肌动蛋白带再度被稳定；随后的M期，内陷继续。这种 “硬化-稳定生长”与“软化-高效内陷” 的循环，在多个周期中如同棘轮般交替作用，最终在未形成完整环的情况下，逐步将细胞分开。这一精妙假说的定量验证，离不开对细胞质粘弹性的原位测量。研究人员利用SENSOCELL的主动微流变技术，直接在活胚胎内操控微粒，测量了间期与M期细胞质的复数剪切模量，发现间期的储能模量（G‘，弹性）与损耗模量（G’‘，粘性）在所有测量频率下均系统性高于M期。正是SENSOCELL提供的这份定量的、频率依赖的流变谱，为“力学棘轮”模型提供了坚实的物理证据，将定性的生物学观察转化为可计算的力学原理。
图一：定量分析比较细胞分裂间期和分裂期的储能模量G‘与弹与损耗模量G’’与频率关系
描绘衰老：从细胞器软化到生物体的“力学早衰”
上述研究解析了生命起始的力学法则，那么另一项发表于Nature Nanotechnology的工作[2]，则利用同样的技术，绘制了生命衰老的力学图谱。研究团队利用SENSOCELL的主动微流变技术，实现了从亚细胞器到活体组织的跨尺度力学探测。在斑马鱼细胞内，作者成功测量了细胞质、核膜界面乃至细胞核核浆的粘弹性，首次在活体中揭示了细胞核不同区室间特异的力学分区，发现核膜刚度主要由核周肌动蛋白而非核纤层蛋白决定。
更具开创性的是，为了在活体模式生物秀丽隐杆线虫中进行长期无扰监测，团队创新性地将其肠道内丰富的内源性脂滴“改造”为天然力学探针。通过SENSOCELL操控这些脂滴，团队发现野生型线虫的肠道细胞质会随衰老显著“软化”。
研究人员分别在年轻（第1天）与年老（第8天）成虫的肠上皮细胞质中实施主动微流变测量。线虫细胞质刚度约为斑马鱼细胞质的十倍，阻碍了在胞内移动脂滴以使用同一探针检测多个区室。年老个体中这种类固体特征显著减弱，表明细胞质粘弹性在衰老过程中发生流体化转变。在导致核膜病与早衰表型的突变株中进行的主动微流变测试中，发现年轻成虫的lmn-1突变体细胞质粘度显著下降至年老野生型水平，且在最高龄样本中未进一步变化，表明lmn-1缺陷能够导致细胞质流变学特性发生早衰性改变。
图二：光镊捕获脂滴进行微流变实验，研究核膜界面的粘弹性
这两项突破性工作都使用SENSOCELL的免校准光镊系统，通过免校准的直接测细胞内受力的特性，实现长期、动态的力学监测。同时此系统不像常规光镊必须以小球为抓手，而是生物自身结构作为探针，帮助研究者捕捉到了早于形态变化的“力学早衰”信号，为衰老及相关疾病提供了全新的生物物理标志物与研究方向。
SENSOCELL 光镊系统核心优势：
免校准即插即用：无需繁琐标定流程，开机即可开展测力实验，新手也能快速上手，大幅降低科研准入门槛；
飞牛级超高精度：力学分辨率高达 50fN，定位精度＜1nm，可精准捕捉细胞微小力学变化，为实验数据提供可靠保障；
多光阱同步操控：支持高达 256 个光阱同步操作，可自定义轨迹、振荡、拖拽等动作，实验自由度极高，满足复杂实验设计需求；
原位测量能力突出：不仅适用于细胞、细胞核、囊泡等内源结构，还能深入组织内部开展力学检测，真正实现活细胞与组织的原位测量；
力学检测-成像一体化：系统支持宽场，共聚焦等不同成像技术，可以实现原位的力学检测-荧光成像；
自动化软件赋能：LightAce 软件基于 ImageJ、μ-Manager 开发，界面友好且支持自定义实验流程，可显著提升科研效率。
免校准生物型光镊系统 SENSOCELL
参考文献：
[1]. Kickuth, Alison, et al. "A mechanical ratchet drives unilateral cytokinesis." Nature (2026): 1-9.
[2]. Català-Castro, Frederic, et al. "Measuring age-dependent viscoelasticity of organelles, cells and organisms with time-shared optical tweezer microrheology." Nature Nanotechnology 20.3 (2025): 411-420.
