SISKIYOU超穩(wěn)定微操縱器實(shí)現(xiàn)納米級(jí)力測(cè)量

前沿的心臟病研究需要新一代光學(xué)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(gè)細(xì)胞并進(jìn)行分子水平的力和運(yùn)動(dòng)測(cè)量。

在工業(yè)化地區(qū)，心血管疾病是導(dǎo)致死亡的主要原因，通常是由稱為心肌細(xì)胞的單個(gè)心肌細(xì)胞功能障礙引起的（見(jiàn)圖1）。這些細(xì)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(diào)節(jié)、力產(chǎn)生、舒張功能、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)。許多重要的研究途徑涉及對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞的研究，而這類研究通常使用光學(xué)顯微鏡來(lái)檢查從嚙齒動(dòng)物中提取的活細(xì)胞。例如，基于顯微鏡的儀器平臺(tái)可以進(jìn)行一系列多模式實(shí)驗(yàn)，以研究輔助收縮（涉及心肌細(xì)胞縮短）和等張力（在沒(méi)有物理縮短的情況下產(chǎn)生的力量）。這兩種力在單個(gè)細(xì)胞中的正確運(yùn)作使得心臟能夠執(zhí)行心搏周期的四個(gè)階段（I-IV）（見(jiàn)圖2）。

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

新一代儀器旨在幫助推進(jìn)這類研究。例如，來(lái)自IonOptix的最新MyoStretcher系統(tǒng)承諾使用簡(jiǎn)便，同時(shí)在力和運(yùn)動(dòng)測(cè)量方面具有優(yōu)yu的靈敏度——這得益于一對(duì)XYZ微操縱器，使研究人員能夠拾取單個(gè)肌細(xì)胞。

測(cè)量肌細(xì)胞

在使用時(shí)，每個(gè)微操縱器都持有一個(gè)玻璃棒（通常直徑為25µm，長(zhǎng)度為500µm），該玻璃棒被浸入含有MyoTak的液滴中，MyoTak是一種由細(xì)胞外基質(zhì)（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(xì)胞的兩端。大約需要10s細(xì)胞才能粘附到棒上，之后就可以將其從玻璃上提起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

一旦一個(gè)肌細(xì)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(dòng)器可以對(duì)細(xì)胞施加機(jī)械拉伸力，或者可以使用貼片鉗型電極來(lái)刺激細(xì)胞。

單個(gè)肌細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力在10-1000nN范圍內(nèi)，可以通過(guò)一種名為OptiForce的光學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)圖2）。簡(jiǎn)而言之，一個(gè)懸臂梁被連接到力傳感器頭上。懸臂遠(yuǎn)端的反射表面的位置是通過(guò)光纖耦合激光二極管（1550nm）的背反射干涉法確定的。因?yàn)榧〖?xì)胞的位置可以測(cè)量到波長(zhǎng)的一小部分，所以可以研究接近零的等張收縮。

OptiForce 通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)在分子水平上觀察心肌細(xì)胞的活動(dòng)：一種是監(jiān)測(cè)鈣離子活動(dòng)的動(dòng)態(tài)局部變化，另一種是測(cè)量肌原纖維長(zhǎng)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(jī)在紅光照明下實(shí)時(shí)捕捉明場(chǎng)圖像。系統(tǒng)軟件對(duì)成像的條紋進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）分析，以獲得非常精確的肌原纖維長(zhǎng)度平均值，無(wú)論細(xì)胞是在收縮還是放松狀態(tài)。

圖2. 使用IonOptix OptiForce傳感器可以實(shí)現(xiàn)nN-µN范圍內(nèi)的穩(wěn)定力測(cè)量，具有非常快的響應(yīng)時(shí)間。通過(guò)夾持舒張期和收縮期的力水平，用戶可以在單細(xì)胞水平上模擬心臟周期的四個(gè)階段（I-IV）。

正如在顯微鏡成像中廣泛用于其他代謝過(guò)程的觀察，通過(guò)使用鈣離子探針，也可以追蹤心肌細(xì)胞在亞細(xì)胞、分子水平上的代謝活動(dòng)，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(guò)使用一個(gè)集成的氙燈和一個(gè)正置熒光適配器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)使用相機(jī)配合二向色濾光片。

根據(jù)IonOptix的應(yīng)用科學(xué)家Dr. Joe Soughayer的說(shuō)法，“我們最新版本儀器的目標(biāo)是使科學(xué)家能夠提高他們測(cè)量的分辨率和靈敏度。在等張實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)肌細(xì)胞只會(huì)表現(xiàn)出總共1µm或更少的移動(dòng)。最終，我們希望達(dá)到技術(shù)的極限，這一極限是由MyoTak粘合劑的順應(yīng)性所設(shè)定的。因此，我們對(duì)微操縱器有兩個(gè)關(guān)鍵要求。它們需要提供接近零漂移；亞微米級(jí)別的漂移和/或松動(dòng)將使得準(zhǔn)確測(cè)量我們的客戶想要研究的微小力量和運(yùn)動(dòng)變得不可能。此外，這些通常是復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，所以我們希望有一個(gè)系統(tǒng)，它具有簡(jiǎn)單、直觀的控制功能，沒(méi)有真正的學(xué)習(xí)曲線，用戶可以專注于科學(xué)研究。”MyoStretcher 包含了一對(duì)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(gè)子系統(tǒng)的Z軸上。

選擇微操縱器

存在許多基于不同技術(shù)的微操縱器類型，包括液壓、微步進(jìn)電機(jī)和壓電技術(shù)。IonOptix選擇了基于直流/伺服電機(jī)的三軸微操縱器——這是Siskiyou公司MX 7630的定制OEM版本（見(jiàn)圖3）。選擇的原因與直流/伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)有關(guān)，它們提供了所需的行程范圍和分辨率，而壓電技術(shù)則沒(méi)有足夠的運(yùn)動(dòng)范圍來(lái)執(zhí)行關(guān)鍵的肌細(xì)胞拾取動(dòng)作。此外，直流執(zhí)行器可以保持位置，而無(wú)需像步進(jìn)器和壓電器那樣消耗電力。即使在靜止?fàn)顟B(tài)下，即在測(cè)量過(guò)程中，電流的抽取也必然會(huì)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(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)中也是如此。此外，一些實(shí)驗(yàn)可能還包括電生理學(xué)測(cè)量，在這些測(cè)量中，必須避免任何電磁干擾噪聲（EMI），因?yàn)樯婕暗轿⑷醯碾娦盘?hào)。

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

在DC/伺服選項(xiàng)中，MX7000系列展示了與MyoStretcher目標(biāo)性能（測(cè)量精度達(dá)到1nN）相兼容的zu低的游隙和漂移，同時(shí)在每個(gè)軸向上提供高達(dá)20mm的運(yùn)動(dòng)。帶有防反沖齒輪頭（在每個(gè)軸上）的電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)交叉滾柱軸承的高度線性載物臺(tái)，消除了軸向和橫向間隙，預(yù)加載的螺桿驅(qū)動(dòng)器避免了靜止時(shí)（即在典型的單肌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中）漂移的可能性。此外，由于三個(gè)軸向子系統(tǒng)最初是為要求嚴(yán)格的電生理學(xué)（膜片鉗）實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的，因此它們與高倍光學(xué)顯微鏡的有限訪問(wèn)空間全兼容。

這些微操作器也提供簡(jiǎn)單的操作。控制器有兩個(gè)預(yù)設(shè)速度設(shè)置：快速（1.7mm/s）和中速（300µm/s）。第三個(gè)速度選擇器（慢速）有一個(gè)可變的330°電位器，它允許從50µm/s連續(xù)調(diào)整速度到2µm/s。將速度選擇器設(shè)定在最慢的設(shè)置下，通過(guò)簡(jiǎn)單地按下一個(gè)軸按鈕，可以輕松地進(jìn)行一致的0.2µm移動(dòng)。幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)表了由1nN力敏感度支持的研究，這項(xiàng)技術(shù)有望進(jìn)一步推動(dòng)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(diǎn)

l三軸電動(dòng)機(jī)械操作，左/右手

l1.7mm/s快速定位

l粗角度探頭定位

l重復(fù)探頭支架

l可容納直徑為3~10mm的安裝桿

l符合RoHS和CE標(biāo)準(zhǔn)