近日，德州大學奧斯汀分校 Yuebing Zheng 團隊與中國科學院物理研究所楊明成團隊合作，聯合報道了一種利用激光靶向測量生物體黏附力的技術。

研究人員利用高度聚焦激光所產生的熱泳力和光鑷力，實現了直接在人類體液（血液，尿液）中對單個細菌，真菌和細胞的原位靶向移動和旋轉，進而通過修飾襯底，觀察這些生物體表面抗體與襯底特異性受體的相互作用。

不同于傳統技術主要用于測量生物體表面黏附分子的牽張力，該成果揭示了如何實現靶向測量生物體表面黏附分子的切向力，從而進一步解釋了在人體環境中，細菌，真菌和細胞是如何實現在人體表皮細胞的黏附，未來不僅對流行病學的感染，還對免疫應答和創傷愈合等生理和病理學的研究提供有利的幫助。

該文章近日發表在 eLight，題為“Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay”，Yaoran Liu 為論文的第一作者， Yuebing Zheng 教授為論文通訊作者。

● 微生物的黏附

隨著 2019 新型冠狀病毒在全球各地流行，我們也開始越來越關注流行病學。一般來說，有害的細菌，病毒或者真菌感染都可以引發流行病，這些微生物的感染可能來源于被污染的食物或者水源，甚至是一次身體接觸。微生物入侵的第一步就是實現在人體細胞表面的黏附，然后依靠人體細胞提供營養物質，實現分裂繁殖，例如 SARS-CoV-2 通過于人體宿主細胞上的 ACE2 蛋白結合從而實現病毒黏附，然后分裂繁殖引發 Covid19 （圖1）。因此研究微生物如何黏附在人體細胞可以讓我們更有針對性的開發藥物，從而避免微生物入侵。

圖1：SARS-CoV-2 病毒黏附于一個細胞并進行分裂繁殖 (National Institutes of Health/Science Photo Library)

由于直接在活體生物內研究微生物吸附是一件極其困難的事。近年來，科學家通過在體外搭建一個微流控系統來研究微生物如何吸附在人體細胞，例如我們可以通過控制微流的速率和搭建細胞骨架來實現模擬微生物在受到不同的流場和邊界運動下的人體內皮細胞黏附，從而用以模擬血液里微生物入侵的真實情況。然而這種方法只能在宏觀上實現對血液里幾乎所有細胞黏附的觀察和測量，因此不僅是微生物的黏附而且其他各類人體細胞（例如紅細胞，白細胞） 的黏附也會被引入，從而造成實驗誤差。因此實現對特定的甚至是某個單一的有害的微生物靶向研究將會使實驗結果更加準確，從而更加真實的反映出微生物的體內入侵。

● 光的靶向操控

近日，來自德克薩斯州奧斯汀分校的研究團隊有效地解決了上述問題，他們在不引入其他細胞的影響下，通過操縱高度聚焦激光所產生的力實現對單個微生物的靶向操控，進而更加準確的研究某種特定的微生物黏附。該團隊通過一束激光引入熱泳微流模擬人類的體液流動，同時利用另一束激光產生的束縛力進而移動和旋轉單個真菌，觀察其細胞表面抗體與外界環境中特異性受體的切向力相互作用（圖2）。此項技術可以實現了對單個微米級真菌從黏附的初期到永久黏附的全過程的觀察。與此同時，該文中的學者通過加入特定的藥物以實現阻隔人體宿主細胞表面的特異性受體和外界環境，發現真菌黏附力顯著下降，對這類藥物提供了的佐證。

圖2：利用激光實現對細胞的靶向操控從而實現對其黏附的研究

該文學者進一步通過此項技術模擬人體尿液中的真菌在尿道中感染，發現這些真菌黏附力呈現明顯的差別。與傳統的實驗室中培養的真菌相比，人體中的真菌呈現顯著不同的黏附特性，這些研究都將對泌尿道感染（膀胱炎或尿道炎），有著顯著的借鑒意義。

此外，這項新的技術具有很好的普適性，不僅可以適用前文中提到的真菌，而且可以實現對人體尿液中單個納米級的大腸桿菌，鏈球菌等各類細菌的直接操控。不僅是人體尿液，研究人員還成功的將這項技術運用于人體血液中的免疫淋巴細胞的操控，未來將有助于推動免疫應答和創傷愈合等生理和病理學的研究。

● 前景與展望

由于其具有納米級操控精度和非接觸操控模式的優勢，利用光束操控納米級生物已經在生物科學領域有了廣泛的應用，科學家已經實現了精準地操控，包括移動，彎曲或拉伸，單個細胞，病毒甚至單個 DNA，RNA 和馬達蛋白等。因此，除了本文提到的研究生物的黏附，光束操控還應用于藥物定向治療和研究有機大分子蛋白相互作用等多個方面，未來可以為臨床疾病診斷、藥物開發和治療個性化疾病提供有力幫助。

現階段，學界對 SARS-CoV-2 病毒黏附機制的研究大多數還都是基于病毒群體，該文學者希望進一步發展此項技術進來實現更加精確的操控更小的生物體，并將應用于研究單個 SARS-CoV-2 病毒在類似體液流動環境下是如何黏附于人體細胞的，并造成病毒感染的。

| 論文信息 |

Liu, Y., Ding, H., Li, J. et al. Light-driven single-cell rotational adhesion frequency assay. eLight 2, 13 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00020-4

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