在干細胞力學研究中，一個長期困擾研究者的問題是：當你看到細胞在受壓后形態改變，你分不清這到底是外力被動擠出來的形變，還是細胞自己主動"變硬"在抵抗。免疫熒光只能告訴你肌動蛋白變多了，但它給不出"變硬了多少"的定量數據——而沒有這個力學證據，你就無法建立從"物理刺激"到"分子通路"再到"分化表型"的完整機制閉環。

近期，甌江實驗室包敏老師團隊使用多功能單細胞顯微操作系統- FluidFM OMNIUM，精準定量單細胞層面力學的變化情況，完整解析一條不依賴整合素黏附的全新機械轉導通路，強核壓縮可以逆轉軟基質對干細胞成骨的抑制作用。換句話說，即使你的培養基質很軟，只要施加合適的核壓縮力，細胞照樣能往成骨方向分化。相關成果已發表于《Acta Biomaterialia》（2026, 216:287-297）。

多功能單細胞顯微操作系統- FluidFM OMNIUM

一、實驗結果

采用FluidFM納米探針對細胞進行淺層壓痕檢測，限定300nm壓痕深度，單獨采集細胞膜皮層力學信號，擬合力-距離曲線計算楊氏模量。

1. FluidFM 定量數據：核壓縮誘導細胞主動皮層硬化

• 軟基質無壓縮對照組：細胞皮層楊氏模量僅約180 Pa，皮質肌動蛋白網絡松散；10 μm輕度壓縮組：皮層剛度小幅上升；3 μm強核壓縮組：皮層模量顯著提升至約300 Pa，細胞主動強化皮質骨架對抗外部擠壓；

• 藥物抑制對照：加入 Blebbistatin 抑制肌球蛋白II后，壓縮誘導的皮層硬化效應消失。

FluidFM 技術定量后得出結論：細胞皮層硬化并非外力帶來的被動形變，而是肌動球蛋白收縮驅動的主動力學適應，是整條機械信號通路的核心中間環節。

2. 完整機械轉導通路邏輯

軟基質無壓縮狀態：整合素信號微弱、FluidFM 測得皮層剛度極低、YAP 滯留細胞質，Runx2、ALP 成骨基因低表達，細胞無法成骨。

垂直核壓縮刺激后完整級聯反應：

① 細胞代償性上調 pMLC（肌球蛋白活化標志物），大量聚合肌動蛋白；

② FluidFM 定量檢測證實細胞皮層剛度顯著升高，細胞自主產生胞內張力；

③ 該套張力傳導通路獨立于整合素、紐蛋白黏著斑復合物；

④ 胞內張力驅動YAP發生細胞核轉位，激活 YAP-TEAD 轉錄通路；

⑤ 上調成骨核心轉錄因子 Runx2，堿性磷酸酶 ALP 活性大幅提升，高效促成骨分化；

實驗過程中，軟基質MSC堿性磷酸酶染色強度顯著提升，驗證核壓縮促成骨的功能表型，該分化效應依賴FluidFM檢測到的皮層硬化與YAP激活。

傳統理論認為基質剛度是決定干細胞分化命運的主導力學信號，本研究依托FluidFM 分層定量的皮層力學數據證實：當細胞受到強垂直核壓縮時，壓縮力成為占優力學信號，可抵消軟基質的抑成骨效應；該通路全程不依賴經典整合素--黏著斑機械轉導，開辟干細胞力學調控全新研究維度。

二、FluidFM 技術核心原理

多功能單細胞顯微操作系統- FluidFM OMNIUM由瑞士Cytosurge公司研發推出，該設備融合傳統原子力顯微鏡高精度測力與微流控操控兩大核心功能，是單細胞生物力學研究專用設備。

1. 高精度力檢測模塊

設備搭載柔性微懸臂探針，通過激光反射偏轉實時捕捉探針受力位移，實現皮牛（pN）級超高力感知、納米級位移調控；探針下壓細胞產生形變后，系統自動生成完整力-距離曲線，通過彈性力學模型擬合計算，輸出細胞楊氏模量，完成剛度定量檢測。

2. 自研中空微流控納米探針

區別于傳統 AFM 實心探針，FluidFM 探針內部貫通微流體通道，探針末端設有納米開孔，后端配套精密壓力控制系統，可實現飛升級液體注射、抽吸。

3. 活細胞一體化觀測平臺

整機集成倒置熒光顯微鏡、活細胞工作站，測細胞力過程中細胞維持生理活性，可同步采集熒光成像與力學數據，實現“力學指標-細胞形態"一一對應。

常規干細胞力學研究僅依靠免疫熒光染色，只能定性觀察肌動蛋白等表達變化，無法解答兩大關鍵科學問題：壓縮后細胞形態改變，是外力被動擠壓形變，還是細胞主動合成胞內張力、皮層主動硬化；皮層力學重塑是否是連接核壓縮、YAP 入核、成骨分化的關鍵中間橋梁。FluidFM技術可提供客觀、分層的定量力學數據，補齊熒光圖像缺失的機制閉環，是本研究核心的檢測手段。

三、研究理論與應用前景

本文建立“核壓縮-皮層力學-YAP"獨立機械感知軸，打破“基質剛度主要調控干細胞命運"的固有認知。在組織工程領域，這意味著無需改造生物支架基質硬度，僅通過精準空間壓縮即可誘導軟基質內干細胞成骨，為軟組織骨修復材料開發提供全新設計思路。

同時，本研究也完整示范了 FluidFM 在受限微環境、干細胞力學分化領域的標準化檢測方案，為腫瘤擠壓、胚胎發育、三維微環境力學相關研究提供參考范式。

參考文獻：

[1]. Zhou Y, Wu Y, Ren D, et al. Nuclear compression overrides matrix softness to regulate stem cell fate through actomyosin-driven YAP mechanotransduction [J]. Acta Biomaterialia, 2026, 216: 287-297.