基于不同培養基底的肝癌細胞成像及力學特性分析

謝瑩，王佳佳，王瑩，曲英敏

（長春理工大學 國家納米操縱與制造國際聯合研究中心，長春 130022）

二十世紀八十年代初，掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）的問世，使得人類首次實現了對單個原子在物質表面排列狀態的實時觀察，這對材料科學和生命科學等領域產生了深遠且不可磨滅的影響。掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學的隧道效應，這就要求所觀察的物體必須具有一定的導電能力，因而在一定程度上限制了它的應用范圍。為了彌補這一不足，Binnig等人于1986年在掃描隧道顯微鏡的基礎上成功研制出了原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）［1］，在納米尺度上實現了對導電和非導電樣品的三維觀測。原子力顯微鏡具有對測試材料不敏感以及對應用環境要求寬松等優點，所有操作可在特定氣體、大氣和液相（如生理緩沖液等）中進行，甚至可直接在近生理條件下實現對生物細胞［2］、病毒［3］、蛋白質分子［4］等的實時監測、表征和操縱，并輸出具有超高分辨率的三維圖像及信息，這種獨特的優勢使其逐漸發展成為細胞生物學研究中的有效工具［5］。隨著時間的推移，人們逐漸認識到AFM是直接表征生物樣品表面信息和力學性能的理想工具［6-9］。

肝癌，即肝臟惡性腫瘤，是我國高發的、危害極大的惡性腫瘤。肝癌的發病原因是受環境和飲食等多因素、多步驟影響的復雜過程，且其分子機制尚不完全清楚。據統計，我國肝癌的年死亡率在惡性腫瘤死亡順位中占第二位，但截至目前為止，仍然缺少預防或治療肝癌的有效手段，導致病患在身體和心理上遭受巨大的痛苦。由于癌癥的可怕性及危害性，人人談癌色變。目前，在全世界范圍內每年都投入巨大的人力和物力致力于研發治療癌癥的有效方式和藥物，雖然取得了一定的進展，但仍然難以解決治愈癌癥的難題。

形貌特征和力學信息是細胞的兩個基本特性，與細胞的基本功能直接相關，并且可以作為判斷疾病狀態的參考指標。為了推動相關領域對病變細胞特征的深入研究，進一步了解肝癌突變細胞的形貌和力學信息，為癌癥藥物的研發和療效評估提供參考依據，本文以人肝癌細胞SMMC-7721為樣本，采用 AFM（JPK NanoWizard? 3 BioScience）對培養于蓋玻片、石英和ITO表面的細胞形貌特征和力學特性進行了深入的測量和對比分析。

1 AFM工作原理

AFM是一種納米級測量分析儀器，也能夠進行納米刻蝕、納米操縱，細胞與基底或細胞間相互作用力譜實驗。AFM主要由力檢測單元、光傳感單元和反饋單元構成，如圖1所示［10］。在該系統中，利用微懸臂檢測探針針尖與待測樣品表面之間不斷變化的相互作用力，這種力的變化會促進微懸臂的擺動，進而使得照射在微懸臂末端的激光反射光的位置發生偏移，從而引起四象限中光電探測器的位置發生改變，反饋系統根據其位置的改變量對系統做出調整指令，然后計算機將數據加以分析處理并轉換成圖像呈現出來。

圖1 AFM系統示意圖

以探針與樣品表面距離的不同為依據，AFM的工作模式可以劃分為接觸成像模式（Contact Mode）、非接觸成像模式（Non-Contact Mode）和輕敲模式（Tapping Mode）。

接觸成像模式，也被稱為靜態掃描模式，是AFM中較為常用的工作模式。在成像過程中，探針尖端始終在樣品表面上方震蕩并與樣品表面保持一定程度的接觸，這種持續性的接觸可能會對樣品表面造成一定程度的損壞。接觸模式利用樣品與探針間不斷改變的作用力（主要是原子間的庫倫排斥力）引起微懸臂的不同形變，進而得到樣品表面形貌信息的高分辨率圖像。

在非接觸模式成像過程中，探針始終在距離樣品表面幾個納米的位置震蕩以減小對樣品的損傷。在這種工作模式下，原子間的相互作用以范德華吸引力為主，但由于針尖與樣品的非接觸導致圖像分辨率低，容易引起反饋不穩。非接觸模式的探針振動會對液體造成較大的擾動，所以該模式不適用于液相下工作，這在一定程度上限制了它的應用范圍。

輕敲模式的工作原理與上述兩種方式有所不同，探針的微懸臂始終在其共振頻率范圍內保持振動，并通過在一定的時間間隔內敲擊樣品表面的形式與樣品保持短暫的接觸，既不會損傷樣品也能解除對分辨率的影響。在這種工作模式下，反饋系統會根據探針振動頻率的變化及時更改壓電陶瓷施加的電壓值，從而獲得樣品的表面形貌。

在JPK系統中，存在一種特殊的工作模式，即Quantitative Imaging（QI）模式，其工作原理與輕敲模式相似，在獲得樣品形貌的同時還能夠得到每一個像素對應的力學曲線，主要用于對生物樣品的測量，文章中展示的圖像均是通過QI模式獲得的。

2 實驗材料及方法

（1）細胞

將人肝癌細胞SMMC-7721置于含有10%胎牛血清（FBS，HyClone）的RPMI-1640培養液（Hy-Clone）中，并在環境溫度為37°、CO2含量為5%的細胞培養箱中培養數天。要求每天對細胞進行一次培養液更換并檢查細胞的生長狀態，當細胞繁殖到覆蓋80%的培養瓶時，用1 mL胰蛋白酶處理1分鐘使其變成懸浮液，然后用移液槍量取40 μL的細胞懸浮液并分別平鋪到蓋玻片、石英和ITO基底上。實驗前，將細胞取出，用磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）緩緩地沖洗基底上的細胞，以去除雜質和凋亡細胞。

（2）探針

在細胞成像和楊氏模量測量的過程中，選擇懸臂梁材料為氮化硅的探針（MLCT，BRUKER）進行實驗。探針給定的彈性系數為0.07 N/m，針尖半徑為20 nm，共振頻率為22 kHz。在實驗開始前，以硅片為參考對象對探針的彈性系數進行了校準，校準后的數值為0.065 N/m，并將這一數值用于以下的力學數據測量和計算中。

3 實驗結果

（1）細胞成像

表面形態特征對于癌細胞的研究是必不可少的，為了獲得基底材料對細胞形態的影響，將培養于近生理條件下的SMMC-7721肝癌細胞在QI模式下進行了成像實驗。在圖像掃描范圍為50 μm×50 μm，掃描速度為300 μm/s，像素設置為256×256的條件下，獲得了如圖 2（a）、圖 2（b）和圖 2（c）所示的三組分別培養于蓋玻片、石英和ITO基底的SMMC-7721活細胞的表面形貌圖。從圖中可以看出，培養于蓋玻片和石英基底的細胞整體呈現橢圓形結構，且表面光滑，輪廓清晰，細胞表面沒有明顯的雜質；而培養于ITO基底的細胞呈現出類梭形結構，細胞膜表面的精細結構清晰可見。

為了獲得培養于上述三種基底的SMMC-7721肝癌細胞在橫向和縱向伸展的差異，選取圖2（a）-圖2（c）中虛線位置的斷面，對細胞橫截面的高度和寬度數據進行測量，對應的實驗結果顯示于圖2（d）-圖2（f）中。由此可以看出，細胞的生長呈現出中間高兩側低的趨勢，最高位置出現在細胞中心線附近。相比較來說，這三種基底對細胞的生長尺寸影響不大，其寬度在25 μm左右，高度在4 μm左右。

（2）黏附力測量

為了獲得細胞與探針間的黏附信息，相關的圖像處理軟件也被用于分析細胞在成像過程中與探針間作用力的大小，由此得到了細胞-探針之間對應的黏附力，并繪制成如圖3所示的細胞-探針黏附力分布圖。由圖片右側的標尺信息可知，圖中較暗的區域與較小的黏附力相對應，較亮的區域與較大的黏附力相對應。三者的黏附關系均呈現出由細胞中心向四周逐漸增加的趨勢，最低值位于細胞中心附近。此外，培養于蓋玻片基底的細胞-探針之間的黏附力稍大一些，石英和ITO基底的細胞-探針之間的黏附力大小相當。總體來說，細胞-探針之間的黏附力小于基底-探針之間的黏附力。

為了進一步統計在不同基底上生長的SMMC-7721肝癌細胞與探針間作用力的大小，在每一種基底上選取10個形態較好的細胞作為樣本，其中每個細胞選擇10個測試點，并將對應位置的細胞-探針間的作用力數值統計成如圖5所示的統計圖。由此可以看出，生長在蓋玻片上的細胞與探針間的黏附力范圍稍大，石英基底的細胞與探針間的黏附力范圍較小，ITO基底的細胞與探針間的黏附力分布較平均。

圖2 培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞的AFM圖像及與之對應的細胞高度-寬度圖

圖3 培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞與探針間的黏附關系

圖4 培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞與探針間的黏附統計圖

圖5 培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞的楊氏模量分布圖

（3）楊氏模量測量

為了表征基底對SMMC-7721肝癌細胞力學特性的影響，了解細胞表面的硬度分布及楊氏模量信息，采用三角錐形探針對細胞進行了壓痕實驗。在完成探針彈性系數的校準、基線調整以及尋找接觸點等一系列必要操作后，采用Hertz模型對細胞進行力學特性分析，并獲得了如圖5所示的培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞楊氏模量分布圖。圖中較暗的區域對應較低的楊氏模量值，代表硬度低，而較亮的區域對應較高的楊氏模量值，代表硬度高。從圖中可以看出，在三種不同基底生長的細胞楊氏模量范圍大小相當，即基底導致的細胞楊氏模量值的差異并不顯著，且細胞邊緣的楊氏模量明顯低于中心位置的楊氏模量，即細胞中心的硬度更高。

為了進一步掌握基底引起的SMMC-7721肝癌細胞楊氏模量的差異，在每種基底上對10個細胞樣品進行了統計，其中每個細胞采集10個數據，結果如圖6所示。由此可以看出，三種基底的細胞楊氏模量均在700～1 100 Pa區間分布較為集中，而在較低值和較高值區間的分布相對零散，但三者分布趨勢的差異并不顯著。

4 結論

本文利用AFM技術對人肝癌細胞SMMC-7721的形貌及力學特性進行了表征，著重分析了不同基底的細胞在形貌、細胞-探針間粘附關系和細胞表面楊氏模量的分布等三個方面的差異，并得到基底對細胞大小和楊氏模量的分布影響較小，而細胞與探針間的黏附稍有差別。進一步確定了SMMC-7721細胞的基礎力學信息，希望能夠為臨床醫學提供參考，促進癌癥藥物的研發。

圖6 培養于不同基底的SMMC-7721肝癌細胞的楊氏模量統計圖