进入兔子洞：生物物理学的突破
今年，美国生物物理学会年会（BPS2025）在“天使之城”举行，这也拉开了Aurora Scientific 2025年参会的序幕。与其他学科不同，生物物理学深入探究生物机制，包括细胞各部分如何运动和发挥作用，以及我们体内复杂系统如何运作。与今年的会议主题相呼应，以下出版物综述将深入探讨生物物理学的各项发现，包括基于兔纤维研究开发的肌肉模型、神经发育风险基因对肠道生理的影响，以及细胞张力和整体粘弹性对细胞硬度的贡献。
特色图片展示了一张白兔的照片（由Pexels上的Francis Seura拍摄）以及Aurora Scientific 1400A通透纤维系统的组件，包括802D通透纤维装置、322C高速长度控制器和403C力传感器。
肌丝激活建模揭示肌力下降的分子基础
过去40至50年间，分子生物学和生物物理学的进步共同推动了我们对于分子尺度事件的理解。数学和计算建模也助力了这些发现，为定量预测、数据拟合和分子模拟做出了重要贡献。尽管取得了这些突破，但目前尚无模型能够定量拟合从分子到细胞尺度的肌肉测量数据。认识到这一点，Liu等人（2024年）测量了兔腰大肌的力响应，并开发了一种新的数学模型，以提供肌肉收缩的见解。。
在准备阶段，研究人员从6月龄雌性新西兰白兔的腰大肌中分离出单根去膜纤维。使用Aurora Scientific的322C高速长度控制器和403A力传感器测量了力-速度测试和快速拉伸测试期间的长度和力。随后进行了体外实验，包括体外运动性和激光陷阱测定，随后进行了数据处理和分析。
在斜坡缩短过程中，研究人员在缩短后的不同时间点（具体为0.1秒、1秒和2秒）量化了肌力下降情况。值得注意的是，缩短持续时间或速度的影响在2秒后消失，力稳定在预拉伸值的50.8%。在分子层面，体外运动性和激光陷阱测定显示，在不同条件下，肌球蛋白步长估计约为4.8-7.4纳米，且ATP结合率增加，且不依赖于ATP浓度。基于这些数据开发的新肌肉模型随后被拟合到一部分细胞测量数据中，令人惊讶的是，该模型能够合理预测剩余的细胞测量数据以及分子测量数据。该模型能够捕捉主动缩短后等长肌力的下降，这揭示了肌力下降的分子机制，并为进一步探索提供了令人兴奋的途径。
Kismet/CHD7/CHD8基因影响黑腹果蝇的肠道微生物群、力学特性及肠脑轴
近年来，肠脑连接越来越受到关注，越来越多的证据强调了我们“第二大脑”的重要性。除了“相信直觉”、“经历令人揪心的事情”或“感到胃里蝴蝶翻飞”之外，肠道和大脑之间的复杂关系通常被称为肠脑轴（GBA）。虽然研究不断揭示肠道微生物群与大脑功能之间的联系，但不同遗传因素如何影响肠道生理、微生物群组成，并最终影响神经发育，仍不清楚。Niosi等人（2024年）研究了黑腹果蝇的kismet基因（人类神经发育障碍风险基因CHD7和CHD8的同源基因）对肠道生理和肠脑轴的影响。
为了进行生物力学测量，研究人员从kismetLM27纯合突变体和对照品系中仔细解剖出全长肠道，并立即将其安装在Aurora Scientific的T型夹之间。随后，将T型夹连接到322C-I高速长度控制器和403B力传感器上，以测量肠道组织的延伸、长度变化、张力和线性硬度。为了评估肠道微生物群的多样性和丰度，研究人员进行了宏基因组16S rRNA测序，随后进行了抗生素消耗和求偶行为分析。
评估结果显示，kismet突变体中肠的生物力学特性发生了明显改变——与对照相比，线性硬度显著降低，而非线性硬度显著增加。此外，突变体中肠还表现出更高的抗拉强度，最大力和应变显著增加。除了生物力学特性外，突变体在各个分类水平上的肠道微生物群多样性和丰度均降低，且求偶行为表现更差。这种行为表型在抗生素治疗后得到挽救，但由此导致的微生物群消耗反而降低了对照果蝇的求偶活动。因此，这些发现强调了肠道组织力学在肠脑通信回路中的重要作用，并为未来肠脑轴的研究提供了重要参考。
量化粘弹性和表面张力：为何尖锐尖端会高估细胞硬度
细胞的机械特性，如硬度、弹性和粘度，与细胞功能紧密相关，包括细胞结构、分裂、生长、运动、粘附和信号传导。因此，表征这些特性有助于我们理解健康的生物过程，以及伴随炎症或癌症等病理条件的变化。在测量细胞力学时，通常采用微压痕和微吸管吸吮等方法，而模型则侧重于细胞张力（来自肌动蛋白-肌球蛋白皮质）或整体粘弹性特性。然而，这两种方法都无法完全捕捉细胞的机械行为，同时充分表示细胞张力和粘弹性仍是一个挑战。为了解决这一问题，Markova等人（2024年）首先开发了一种结合表面张力和粘弹性的微压痕技术，并在多种细胞类型上测试了该方法，然后将其与微吸管吸吮实验进行了比较。
研究人员培养了不同大小和硬度的细胞，包括T细胞、PLB细胞（人急性髓系白血病细胞系）、贴壁和胰蛋白酶消化的内皮细胞（ECs）以及胰蛋白酶消化的平滑肌细胞（SMCs）。采用微压痕和微吸管吸吮技术测量了细胞的机械特性，并使用Aurora Scientific的406A力传感器校准了标准微压痕器的硬度。在细胞被不同半径的微压痕器压痕后，研究人员开发了一个模型，将细胞-压痕器接触硬度与有效杨氏模量和表面张力联系起来。
结果显示，通过微压痕测量的白细胞表面张力与微吸管吸吮结果一致。相比之下，当仅将胰蛋白酶消化的ECs分析为粘弹性时，两种方法之间的一致性更好。事实上，使用球形压痕器进行压痕时，表面张力的贡献较小，因此使用尖锐尖端进行压痕可以获得更好的表面效应估计。综合考虑，这些发现表明，在微压痕实验中考虑表面张力对于准确测量细胞机械特性至关重要。
结论
随着BPS2025迎来又一年的精彩生物物理学研究，Aurora Scientific继续提供工具和专业知识，以实现该领域的高精度机械测量。Liu等人（2024年）、Niosi等人（2024年）和Markova等人（2024年）的这些出版物开启了生物物理科学突破的先河——从兔去膜纤维力学、令人揪心的果蝇生理学到细胞硬度的精确量化。
