肌肉細胞中的動作電位所產(chǎn)生的力使血液、食物和廢物穿梭于人體的管腔結(jié)構(gòu)中。雖然存在無創(chuàng)的電生理技術，但大多數(shù)機械傳感器無法無創(chuàng)進入管腔結(jié)構(gòu)。

　　據(jù)此，斯坦福大學Jennifer A. Dionne教授團隊引入了無毒的可攝取機械傳感器，以實現(xiàn)對管腔力的定量研究，并將其用于研究活體草履蟲的攝食情況。這些光學 “微傳感器 "由嵌入上轉(zhuǎn)換 NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4 納米粒子的聚苯乙烯微球組成。將光學顯微鏡和原子力顯微鏡結(jié)合起來研究體外微測量器，結(jié)果表明，力會使發(fā)射的紅光和綠光的比例發(fā)生線性無滯后變化。通過熒光成像和無創(chuàng)電生理學研究，他們發(fā)現(xiàn)成年草履蟲在進食過程中會產(chǎn)生 10 µN 左右的咬合力，而且咬合力產(chǎn)生的時間模式與進食器官的肌肉活動一致。此外，測量的咬合力與用于裂解蟲體細菌食物的壓力范圍內(nèi)的赫茲接觸應力一致。微型測量儀有可能實現(xiàn)定量研究，調(diào)查神經(jīng)肌肉應力如何受到該器官和其他腔內(nèi)器官的老化、基因突變和藥物治療的影響。

　　2025年1月1日，相關研究成果以題為“Upconverting microgauges reveal intraluminal force dynamics in vivo"發(fā)表在 Nature 上。Jason R. Casar為第一作者，Jennifer A. Dionne教授、Miriam B. Goodman教授、Jason R. Casar 為通訊作者。

　　合成與表征

　　通過乳液聚合將UCNPs封裝在聚苯乙烯微球中，從而設計出微測量器。UCNPs利用其上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性(在機械應力作用下會從綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色)來測量力的變化。合成過程確保了高亮度、穩(wěn)定性和生物相容性。核@殼NaY0.8Yb0.18Er0.02F4@NaYF4納米粒子構(gòu)成了微規(guī)的功能元件。聚苯乙烯封裝可穩(wěn)定納米粒子，防止其在水環(huán)境中降解，并改善其光學特性。透射和掃描電子顯微鏡(TEM/SEM)顯示UCNPs在微球內(nèi)均勻分布。直徑測量確保了與秀麗隱桿線蟲進食機制的兼容性。在壓縮條件下，紅光(660 nm)和綠光(520+545 nm)的發(fā)射比會隨著外力的作用而發(fā)生相應的變化。封裝可防止因水的干擾而熄滅發(fā)光。設計考慮因素而言，尺寸(平均直徑：約935 nm)使微探針能夠模仿細菌食物顆粒，從而使線蟲能夠被動攝取。內(nèi)腔的堅固性可確保在生物活動中進行精確的力測量。

　　草履蟲攝取生物相容性微膠囊

　　緊接著，對秀麗隱桿線蟲的實驗驗證了微量規(guī)與生物系統(tǒng)的功能整合。這些線蟲的進食機制由咽部有節(jié)奏的收縮驅(qū)動，可作為測量管腔力的模型。微膠囊與細菌食物一起被攝入，并在咽部末端球部積聚。光學成像可追蹤微膠囊的運輸過程，顯示微膠囊與咽部泵的同步運動。此外，生物相容性實驗表明未觀察到對攝食行為、運動或繁殖結(jié)果的不利影響。無論是否攝入微量規(guī)，咽部泵速都保持一致，證實了生理兼容性。明視場和上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)雙成像技術可捕捉到微規(guī)在攝食過程中的實時動態(tài)。咽電圖(EPG)顯示了與微規(guī)運動相關的電活動模式。圖2展示了實驗裝置，包括攝入微規(guī)的假色UCL圖像和相應的明視場視圖，以及突出顯示攝食過程中肌肉活動的EPG記錄。

　　機械光學校準

　　使用共焦原子力顯微鏡將光學發(fā)射位移與已知壓縮力相關聯(lián)，從而校準微量測量儀的機械靈敏度。首先，校準設置：激光掃描共聚焦顯微鏡結(jié)合原子力顯微鏡測量受控機械負載下的 UCL 發(fā)射變化。從 0.4 到 15.2 µN 的力可引起紅綠發(fā)射比的線性變化。其次，力學和光學特性：校準數(shù)據(jù)證實在實驗力范圍內(nèi)不存在滯后和塑性變形。比率變化(Δ%IRed:IGreen)是力量化的可靠指標，靈敏度為 0.52%/µN。最后與靜水壓力比較：雖然力測量反映的是局部各向異性應力，但數(shù)據(jù)與金剛石砧實驗中觀察到的壓力靈敏度趨勢一致。圖3 展示了共焦 AFM 設置、不同力下的 UCL 發(fā)射光譜以及力-發(fā)射關系的線性。

　　靈敏度電生理學和機械成像

　　最后，電生理學和光學成像技術的整合展示了對活線蟲攝食力的實時測量。將同時進行的 EPG 記錄和 UCL 成像監(jiān)控進食過程中的電氣和機械動態(tài)。結(jié)果微測量儀可直接測量咽部肌肉收縮引起的腔內(nèi)應力。由 UCL 發(fā)射位移得出的力軌跡在時間上與 EPG 信號一致，表明電和機械活動同步。時間分辨率可捕捉單個進食周期，包括收縮和放松階段。研究結(jié)果顯示：測量到的平均咬合力約為 15.7µN，相當于足以使細菌溶解的壓力水平。不同個體咬合力的變化突顯了攝食力學的生物異質(zhì)性。

　　圖1. 與被動攝入兼容的生物相容性微型測量儀的合成

　　圖2. 秀麗隱桿線蟲攝入生物相容性微型計量器

　　圖3. 使用共焦 AFM 校準光學機械靈敏度

　　圖4. 微型測量儀能夠同時對活蠕蟲的攝食力進行電生理學和光學機械成像

　　總之，合成、校準并在體內(nèi)部署了一種光學可讀的中空神經(jīng)肌肉器官腔內(nèi)機械壓縮傳感器。已經(jīng)證明了它在量化秀麗隱桿線蟲咽部泵送相關力方面的可行性，這是一種研究心律失常和收縮過度的有前途的模型系統(tǒng)。設想，這個平臺可以直接比較蠕蟲的腔內(nèi)力產(chǎn)生與鈣通道突變體中收縮誘導動作電位持續(xù)時間或頻率失調(diào)以及它們對藥物治療的反應。該平臺還可以用作低通量肌肉質(zhì)量損失結(jié)構(gòu)分析的定量功能替代品，以加快研究熱量限制、衰老和藥物干預對肌肉減少癥和健康壽命的影響。這個概念驗證演示揭示了增加微量信號和降低噪音的幾種機會。使用環(huán)境 IRed:IGreen 比率較低的更亮材料(例如“摻雜"的 SrYb0.72Er0.28F5@SrLuF5)將提高綠色發(fā)射通道的信噪比，并能夠使用較低的激發(fā)功率密度，以避免在長時間成像期間產(chǎn)生不必要的加熱。改進的聚合方法可以縮小傳感器尺寸和 UCNP 負載密度的分布，再加上連續(xù)的芯片內(nèi)進料程序，將有助于消除蠕蟲在其末端球狀體中循環(huán)粒子時吸收和發(fā)射橫截面的不一致。通過這些改進，該檢測有可能直接且非侵入性地區(qū)分不同動物群之間的腔內(nèi)收縮能力，并深入了解電控制和機械效能之間的相互作用。

　　參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)