SISKIYOU超穩(wěn)定微操縱器實現(xiàn)納米級力測量

前沿的心臟病研究需要新一代光學儀器的能力。在幕后，三軸微操作器讓研究人員能夠拾取單個細胞并進行分子水平的力和運動測量。

在工業(yè)化地區(qū)，心血管疾病是導致死亡的主要原因，通常是由稱為心肌細胞的單個心肌細胞功能障礙引起的（見圖1）。這些細胞代表了最小的全功能心肌模型系統(tǒng)，可以檢查其離子調節(jié)、力產(chǎn)生、舒張功能、細胞信號傳導和基因表達。許多重要的研究途徑涉及對單個心肌細胞的研究，而這類研究通常使用光學顯微鏡來檢查從嚙齒動物中提取的活細胞。例如，基于顯微鏡的儀器平臺可以進行一系列多模式實驗，以研究輔助收縮（涉及心肌細胞縮短）和等張力（在沒有物理縮短的情況下產(chǎn)生的力量）。這兩種力在單個細胞中的正確運作使得心臟能夠執(zhí)行心搏周期的四個階段（I-IV）（見圖2）。

圖 1.一個心臟細胞，用膜染色劑Di-8-ANEPPS（綠色）標記，附著在MyoTak生物粘合劑（紅色）上。Di-8標記心臟細胞的肌膜和t管膜，而粘合劑涂覆兩個未顯示的玻璃微棒，這些微棒用于附著和拉伸單個心臟細胞。（3D重建由賓夕法尼亞大學的Ben Prosser提供）

新一代儀器旨在幫助推進這類研究。例如，來自IonOptix的最新MyoStretcher系統(tǒng)承諾使用簡便，同時在力和運動測量方面具有優(yōu)yu的靈敏度——這得益于一對XYZ微操縱器，使研究人員能夠拾取單個肌細胞。

測量肌細胞

在使用時，每個微操縱器都持有一個玻璃棒（通常直徑為25µm，長度為500µm），該玻璃棒被浸入含有MyoTak的液滴中，MyoTak是一種由細胞外基質（ECM）蛋白和多糖組成的粘合混合物。在讓這部分干燥后，操作員接觸在緩沖液下躺在室玻璃上的肌細胞的兩端。大約需要10s細胞才能粘附到棒上，之后就可以將其從玻璃上提起進行實驗。

一旦一個肌細胞被選中，它可以被物理或電刺激，和/或以各種方式量化其操作（可選配件）。例如，系統(tǒng)的壓電致動器可以對細胞施加機械拉伸力，或者可以使用貼片鉗型電極來刺激細胞。

單個肌細胞產(chǎn)生的收縮力在10-1000nN范圍內(nèi)，可以通過一種名為OptiForce的光學方法進行測量（見圖2）。簡而言之，一個懸臂梁被連接到力傳感器頭上。懸臂遠端的反射表面的位置是通過光纖耦合激光二極管（1550nm）的背反射干涉法確定的。因為肌細胞的位置可以測量到波長的一小部分，所以可以研究接近零的等張收縮。

OptiForce 通過兩種方式實現(xiàn)在分子水平上觀察心肌細胞的活動：一種是監(jiān)測鈣離子活動的動態(tài)局部變化，另一種是測量肌原纖維長度的變化，肌原纖維是由參與收縮的分子組裝而成的條紋（深色和淺色帶）。在靜息狀態(tài)下，肌原纖維的間距大約為1.8µm。該儀器使用高速（250Hz至1kHz）CCD相機在紅光照明下實時捕捉明場圖像。系統(tǒng)軟件對成像的條紋進行快速傅里葉變換（FFT）分析，以獲得非常精確的肌原纖維長度平均值，無論細胞是在收縮還是放松狀態(tài)。

圖2. 使用IonOptix OptiForce傳感器可以實現(xiàn)nN-µN范圍內(nèi)的穩(wěn)定力測量，具有非?？斓捻憫獣r間。通過夾持舒張期和收縮期的力水平，用戶可以在單細胞水平上模擬心臟周期的四個階段（I-IV）。

正如在顯微鏡成像中廣泛用于其他代謝過程的觀察，通過使用鈣離子探針，也可以追蹤心肌細胞在亞細胞、分子水平上的代謝活動，這些探針的熒光特性定量地依賴于局部鈣離子的濃度。這是通過使用一個集成的氙燈和一個正置熒光適配器來實現(xiàn)的，同時使用相機配合二向色濾光片。

根據(jù)IonOptix的應用科學家Dr. Joe Soughayer的說法，“我們最新版本儀器的目標是使科學家能夠提高他們測量的分辨率和靈敏度。在等張實驗中，一個肌細胞只會表現(xiàn)出總共1µm或更少的移動。最終，我們希望達到技術的極限，這一極限是由MyoTak粘合劑的順應性所設定的。因此，我們對微操縱器有兩個關鍵要求。它們需要提供接近零漂移；亞微米級別的漂移和/或松動將使得準確測量我們的客戶想要研究的微小力量和運動變得不可能。此外，這些通常是復雜且具有挑戰(zhàn)性的實驗，所以我們希望有一個系統(tǒng)，它具有簡單、直觀的控制功能，沒有真正的學習曲線，用戶可以專注于科學研究。”MyoStretcher 包含了一對這樣的子系統(tǒng)，它們分別配置為右手和左手型，其中玻璃棒安裝在每個子系統(tǒng)的Z軸上。

選擇微操縱器

存在許多基于不同技術的微操縱器類型，包括液壓、微步進電機和壓電技術。IonOptix選擇了基于直流/伺服電機的三軸微操縱器——這是Siskiyou公司MX 7630的定制OEM版本（見圖3）。選擇的原因與直流/伺服電機的優(yōu)勢有關，它們提供了所需的行程范圍和分辨率，而壓電技術則沒有足夠的運動范圍來執(zhí)行關鍵的肌細胞拾取動作。此外，直流執(zhí)行器可以保持位置，而無需像步進器和壓電器那樣消耗電力。即使在靜止狀態(tài)下，即在測量過程中，電流的抽取也必然會不可避免地產(chǎn)生不需要的熱量。熱漂移總是精密定位的敵人。所以，直流（DC）執(zhí)行器具有固有的超低漂移潛力，即使在長時間的實驗中也是如此。此外，一些實驗可能還包括電生理學測量，在這些測量中，必須避免任何電磁干擾噪聲（EMI），因為涉及到微弱的電信號。

圖3. MyoStretcher集成了來自Siskiyou的一對三軸微操作器（右手和左手配置）。

在DC/伺服選項中，MX7000系列展示了與MyoStretcher目標性能（測量精度達到1nN）相兼容的zu低的游隙和漂移，同時在每個軸向上提供高達20mm的運動。帶有防反沖齒輪頭（在每個軸上）的電動執(zhí)行器驅動交叉滾柱軸承的高度線性載物臺，消除了軸向和橫向間隙，預加載的螺桿驅動器避免了靜止時（即在典型的單肌細胞實驗中）漂移的可能性。此外，由于三個軸向子系統(tǒng)最初是為要求嚴格的電生理學（膜片鉗）實驗開發(fā)的，因此它們與高倍光學顯微鏡的有限訪問空間全兼容。

這些微操作器也提供簡單的操作。控制器有兩個預設速度設置：快速（1.7mm/s）和中速（300µm/s）。第三個速度選擇器（慢速）有一個可變的330°電位器，它允許從50µm/s連續(xù)調整速度到2µm/s。將速度選擇器設定在最慢的設置下，通過簡單地按下一個軸按鈕，可以輕松地進行一致的0.2µm移動。幾個實驗室已經(jīng)發(fā)表了由1nN力敏感度支持的研究，這項技術有望進一步推動我們希望最終能夠減少心臟病并為受影響者提供更好治療的發(fā)現(xiàn)。

MX7600

產(chǎn)品特點

l三軸電動機械操作，左/右手

l1.7mm/s快速定位

l粗角度探頭定位

l重復探頭支架

l可容納直徑為3~10mm的安裝桿

l符合RoHS和CE標準