北京大学联合清砥量子在单细胞黏附动力学领域取得重要进展，实现 40 小时活细胞无损定量追踪
发布日期：2026-09-04
期刊：《生物化学与生物物理进展》2026 年第 53 卷第 7 期
作者：覃思颖、游天齐、徐涛、罗燕、胡西（北京大学、清砥量子科学仪器）
项目：北京市科技计划项目
近日，北京大学生命科学学院覃思颖研究团队与清砥量子科学仪器（北京）有限公司合作，在国内核心期刊《生物化学与生物物理进展》发表题为《基于流体力显微镜的单细胞贴壁黏附动力学研究》的研究论文。本研究依托多功能单细胞显微操作系统FluidFM OMNIUM，建立一套无需探针化学修饰、可长时程无损监测活细胞的单细胞黏附定量检测体系，突破传统单细胞力学表征技术的固有局限，完整追踪40小时细胞贴壁全过程，定量解析高分化上皮细胞与低分化工程细胞的黏附动力学差异，从力学层面揭示细胞分化调控黏附行为的内在规律，为细胞生物力学、生物材料评测、靶向药物筛选提供标准化定量实验方案。
多功能单细胞显微操作系统- FluidFM OMNIUM
研究背景： 单细胞黏附力学检测面临技术瓶颈
细胞黏附是细胞增殖、迁移、肿瘤转移、胚胎发育的核心基础，定量解析单细胞黏附力学，是揭示生命力学调控机制的关键。目前主流检测手段各有优劣：
群体检测法（漂洗/离心/转盘法）：仅能统计细胞群体，无法观测单细胞，机械力易损伤活细胞；
经典原子力显微镜单细胞力谱（AFM-SCFS）
需对探针做复杂化学修饰固定活细胞，操作耗时数小时；
易改变细胞生理活性、检测通量低；
力学量程有限，强黏附细胞测试时易脱落。
FluidFM技术融合了AFM + 微流控中空探针，依靠负压吸附、正压释放活细胞，无需化学修饰探针：
探针制备从数小时缩短至几分钟，可重复使用；
非损伤捕获活细胞，保留原生生理状态；
力学量程覆盖百 nN~μN，适配长时程、高黏附细胞检测。
图1. FluidFM单细胞黏附测量原理示意图
实验设计：时程单细胞黏附多参数定量表征
本研究选取两种表型差异显著的细胞模型：
hTERT RPE-1：人视网膜色素上皮细胞，上皮表型、分化程度高、贴壁紧密、极化明显；
HEK 293T：人胚肾细胞，低分化、类成纤维细胞、贴壁偏弱，病毒包装常用工程细胞。
核心检测方案
细胞接种后连续 40h 长时程监测，覆盖完整贴壁成熟周期；
FluidFM 细胞 - 基底分离实验，采集力 - 距离曲线，提取 3 大力学指标：
黏附力\(F_{adh}\)：细胞脱离基底最大拉力（单位 nN）
黏附能\(E_{adh}\)：剥离细胞所需总能量（单位 pJ）
最大脱附距离\(D_{max}\)：细胞拉伸脱离基底垂直距离（单位 μm）
ImageJ 量化细胞铺展面积\(A_{cell}\)，做面积归一化，对比单位面积黏附效率；
总计检测626个单细胞（HEK293T：352个；RPE-1：274个），3 批独立重复验证。
图2. 两种细胞典型力-距离曲线
核心实验结果： 分化状态决定细胞黏附动力学模式
1. 整体黏附强度与成熟速度差距显著
指标
hTERT RPE-1（上皮细胞）
HEK 293T（低分化肾细胞）
达到黏附稳态时间
1 h 快速成熟
4 h 缓慢成熟
稳态黏附力
~240 nN
~30 nN（仅为 RPE1 1/8）
稳态黏附能
~2.2 pJ
~0.12 pJ
稳态最大脱附距离
~6 μm
~4 μm
40h 最大铺展面积
~1680 μm²
~824 μm²
关键结论：RPE-1 铺展、黏附能力全面更强，贴壁锚定效率远高于 HEK293T。
图3. 40h黏附参数动态变化曲线
2. 单位面积归一化：
为消除细胞大小干扰，将力学参数除以铺展面积对比单位面积性能：
hTERT RPE-1：0.75~1h单位面积黏附力 / 黏附能达峰值，峰值黏附力\(0.56\ \mathrm{nN/μm^2}\)；随后随铺展扩大逐步下降；
HEK 293T：4h 才抵达单位面积峰值，峰值仅\(0.13\ \mathrm{nN/μm^2}\)，全程数值稳定无大幅回落；
峰值对比：RPE-1 单位面积黏附力是 HEK293T 的4.3倍，单位面积黏附能达7.7倍。
两种细胞黏附策略完全分化：
RPE-1：早期快速强锚定，后期动态下调单位黏附强度，适配上皮极化生长；
HEK293T：渐进式稳定黏附，依靠时间累积缓慢提升整体黏附。
图4. 单位面积黏附参数动态变化
3. 参数相关性：
两种细胞黏附力\(F_{adh}\)与铺展面积\(A_{cell}\)相关性均极弱（R≈0.4）；
RPE-1 贴壁中期出现典型现象：铺展面积持续变大，但总黏附力不再上升 ——黏附饱和效应；
HEK293T 黏附力、黏附能、脱附距离线性相关性更强（R≈0.86），力学变化同步；RPE-1 数据离散度更高，力学调控更复杂。
归一化后相关性变化：面积校正后 RPE-1 单位参数相关性明显提升，证明细胞尺寸会掩盖真实黏附分子作用差异。
图5. 黏附力与各参数相关性散点图
图6. 单位面积参数相关性分析
机制讨论： 分子基础、调控逻辑与技术客观局限
分子层面差异根源
RPE-1 高表达整合素 α3/α5/α6/β1/β5、黏着斑蛋白、踝蛋白等，可形成半桥粒强化基底连接；HEK293T 整合素整体表达偏低，黏着斑组装速度慢。
黏附饱和调控逻辑
细胞铺展后期不再提升总黏附力，依靠调整黏着斑分布、细胞骨架张力平衡力学信号，避免过度刚性锚定，为上皮 - 间质转化保留力学可塑性。
技术局限性客观说明
FluidFM 单次仅测单细胞，批量统计效率有限；
投影铺展面积和真实基底接触面存在偏差；
细胞周期、探针流体环境会引入系统误差。
研究价值与应用前景
基础科研价值
首次用 FluidFM 完成 40h 超长时程单细胞黏附多参数定量，建立完整细胞黏附动力学量化体系；
直接证明细胞分化程度决定黏附动力学模式，为细胞力学 - 分化耦合提供定量证据。
预计应用方向
生物材料评价：量化材料表面细胞黏附强弱，优化组织工程支架、植入材料；
药物筛选：以黏附力 / 黏附能为生物物理指标，筛选调控细胞迁移、肿瘤侵袭的靶向药物；
交叉联用拓展：可搭配牵引力显微镜、布里渊显微镜、无标记光学生物传感器，构建力学 - 化学多维度单细胞检测平台。
研究总结
本研究利用FluidFM流体力显微镜单细胞力谱技术，实现活细胞长时程原位黏附力学检测，对比 hTERT RPE-1 与 HEK 293T 完整贴壁周期动力学：
✅ 高分化上皮细胞 RPE-1：1h 快速建立高强度黏附，具备动态力学调节能力；
✅ 低分化 HEK293T：4h 缓慢成熟，黏附强度低、调控模式保守稳定；
✅ 证实细胞铺展面积与黏附力解耦，存在 “黏附饱和” 适应性调控机制；
✅ FluidFM 为单细胞黏附研究提供高效、低损伤、宽量程的全新定量工具。
文章DOI：10.3724/j.pibb.2026.0159
清砥量子科学仪器（北京）有限公司提供完整单细胞力学研究解决方案
平台包含 FluidFM 多功能单细胞显微操作系统、光镊系统与布里渊显微镜三大核心设备，三者形成技术互补：
多功能单细胞显微操作系统- FluidFM OMNIUM：依托纳米中空探针，实现 nN‑μN 量程的单细胞力谱检测，可完成细胞抓取、挤压、粘附力测试，适配贴壁与悬浮细胞，兼顾力学测量与微流控单细胞操作。
SENSOCELL 生物型光镊：具备fN‑pN测力灵敏度，以纯光学方式操控细胞与胞内组分，实现分子及亚细胞尺度的力学解析。
生物型布里渊显微镜-Discoverer：为无标记非接触检测手段，无需探针触碰样本，可原位获取类器官、3D 细胞球内部刚度分布信息。
整套方案覆盖从单分子、单细胞到三维组织样本的多维度力学生物学实验需求，可支撑细胞机械转导、肿瘤生物学、干细胞分化等方向科研工作。欢迎拨打电话：13671209710或扫描下方二维码垂询。
