深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的 原子力显微镜（AFM）的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法 利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器（ViT）模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293（人胚胎肾细胞）和HGC-27（人未分化胃癌细胞）两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果 在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位（中心和边缘）进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论 深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。     

基于原子力显微镜的溶液环境下单个天然状态病毒颗粒多参数成像及纳米力学特性分析（英文）

目的 研究单个病毒颗粒的行为特性对于揭示调控病毒生命周期的内在机制、发展新型抗病毒治疗方法具有重要基础意义。原子力显微镜（AFM）的出现为高分辨率探测单个病毒颗粒的结构和力学特性提供了新的强大工具,极大地促进了物理病毒学的发展。然而,目前人们对于力学特性在病毒生命活动过程中调控作用的认知仍然很不足,特别是利用多参数AFM成像技术对病毒颗粒开展的研究还不多见。本文结合AFM多参数成像技术和压痕实验技术研究了溶液环境下化学刺激诱导的单个天然状态病毒颗粒结构及力学特性动态变化。方法 通过在盖玻片基底表面覆盖一层多聚赖氨酸以将慢病毒颗粒吸附到基底,随后利用AFM直接在溶液环境下对天然状态的单个病毒颗粒进行探测。基于AFM峰值力轻敲（PFT）多参数成像模式,同时获取单个病毒颗粒的形貌结构及力学特性图。在AFM形貌图导引下控制AFM探针移动至单个病毒颗粒中央部位进行压痕实验以测量病毒力学特性。利用75%酒精溶液对病毒颗粒进行处理后,对病毒颗粒的形貌结构及力学特性变化情况进行观测。结果 利用AFM在溶液环境下可对单个病毒颗粒的形貌及力学特性进行高质量成像表征,实验结果显示病毒颗粒在空气中和溶液中分别...     

不同垦复方式油茶林土壤节肢动物多样性特征

【目的】油茶新造林特别是纯林不断骤增导致油茶林害虫发生日趋严重,食用茶油安全倍受威胁。为探索有效控制油茶林害虫发生的途径,保护分解者跳虫等土壤节肢动物多样性。【方法】基于Tullgren干漏斗法和巴氏罐法,对半垦复油茶幼林、全垦复油茶幼林、全垦复油茶成林和未垦复油茶成林4种不同油茶林的20个土样和15个凋落物样中的土壤跳虫和土壤其他节肢动物多样性特征进行了研究。【结果】共分离出跳虫315头,隶属6科8属;其他土壤节肢动物11科17种295头。多样性分析结果表明,油茶成林地比幼林地土壤动物的多样性指数高,多样化的地被物有利于提高土壤动物的多样性,垦复和施肥等人为干扰显著地降低土壤跳虫的多样性,却有利于增加罐诱土壤动物的多样性,水源是土壤动物生存的关键因子,对林地跳虫和罐诱动物的多样性提高有显著促进作用。【结论】探明了不同垦复类型油茶林土壤跳虫和土壤其他罐诱节肢动物多样性特征,对合理开展油茶林垦复,发挥油茶林土壤跳虫和土壤节肢动物分解功能提供了科学依据。     

基于原子力显微镜的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

目的 细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用，开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜（AFM）的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具，基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法，为单细胞行为研究带来了大量新认识。然而，现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境，而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下，因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为，特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法 基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统，并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7（人乳腺癌细胞）和HGC-27（人未分化胃癌细胞）两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线，并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果 首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响，实验结果表明，与静态培养环境相比，培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞力学特性进行了测量，结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小，且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化，显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论 将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测，为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。     

基于AFM单细胞力谱技术的淋巴瘤细胞黏附力测量（英文）

细胞黏附在细胞生理功能中起着重要的调控作用,对细胞黏附行为进行定量研究有助于理解生命活动内在机制.原子力显微镜(AFM)的出现为研究溶液环境下微纳尺度生物系统的生物物理特性提供了强大工具,特别是AFM单细胞力谱(SCFS)技术可以对单细胞黏附力进行测量.但目前利用SCFS技术进行的研究主要集中在贴壁细胞,对于动物悬浮细胞黏附行为进行的研究还较为缺乏.本文利用AFM单细胞力谱技术(SCFS)对淋巴瘤细胞黏附行为进行了定量测量.研究了淋巴瘤细胞与其单克隆抗体药物利妥昔(利妥昔单抗与淋巴瘤细胞表面的CD20结合后激活免疫攻击)之间的黏附力,分析了利妥昔浓度及SCFS测量参数对黏附力的影响,并对淋巴瘤细胞之间的黏附力进行了测量.实验结果证明了SCFS技术探测动物悬浮细胞黏附行为的能力,加深了对淋巴瘤细胞黏附作用的认识,为单细胞尺度下生物力学探测提供了新的可能.     

高压氧对颅脑损伤患者血液流变学的影响

目的:探讨颅脑损伤患者血液流变学变化及高压氧治疗的影响.方法:经确诊的颅脑损伤患者72例,按是否接受高压氧治疗分为高压氧治疗组(HBO组)37例,男22例,女15例;对照组35例,男11例,女24例.对照组仅采用常规及对症治疗,未使用止血药物及抗纤溶药物;HBO组加用高压氧治疗,加压20 min,稳压压力0.23 MPa,吸氧80 min,中间休息10 min,减压20 min,1次,d,10次1疗程,2个疗程,检测治疗前后血液流变学指标.结果:HBO组的总有效率明显高于对照组(P<0.05),同时HBO组全血黏度、血浆黏度、全血黏度、红细胞压积(%)、血沉(MM/H)、全血还原粘度、红细胞刚性指数、红细胞聚集指数均有明显下降,而红细胞变形指数、红细胞电泳指数升高,与治疗前比较有统计学差异(P<0.05).结论:HBO能明显改善颅脑损伤患者的血液流变学指标,促进神经功能恢复.     

结合微针及AFM的单细胞精准激励与力学特性同步测量

目的 细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关,研究细胞力学特性对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义.原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞研究提供了新的技术手段,它不仅可以在溶液环境下对单个活细胞的形貌结构进行高分辨率成像,还能够对细胞力学特性进行定量测量.基于AFM的单细胞力学特性研究在过去数十年...     

基于AFM的活体状态外泌体纳米结构及机械特性研究(英文)

外泌体在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,研究外泌体的行为特性对于揭示生命活动及疾病发生发展的内在机理具有重要的基础意义.然而由于缺乏合适的观测手段及方法,目前对于活体状态下外泌体结构及特性的认知仍然很不足.原子力显微镜(AFM)的发明为研究溶液环境下天然状态生物样本提供了强大的技术工具,已成为生物学重要研究手段.本文利用AFM对单个活体状态外泌体的纳米结构及机械特性进行了研究.通过多聚赖氨酸静电吸附作用将从淋巴瘤患者骨髓中分离的外泌体吸附至基底,在溶液环境下实现了对单个活体状态外泌体的高质量AFM形貌成像并通过与空气中成像结果进行对比揭示了空气干燥处理对外泌体形貌的影响.在此基础上,分别利用AFM压痕试验和多参数成像技术实现了对单个活体状态外泌体机械特性的定量测量和可视化表征.最后基于所建立的方法技术揭示了化学处理后外泌体结构和机械特性的动态变化.研究结果为研究纳米尺度下活体状态外泌体的结构及特性,以更好理解天然状态外泌体的生理行为提供了新的方法和思路,对于外泌体研究具有潜在积极的意义.