SISKIYOU超稳定微操纵器实现纳米级力测量

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SISKIYOU超稳定微操纵器实现纳米级力测量前沿的心脏病研究需要新一代光学仪器的能力。在幕后，三轴微操作器让研究人员能够拾取单个细胞并进行分子水平的力和运动测量。在工业化地区，心血管疾病是导致死亡的主要原因，通常是由称为心肌细胞的单个心肌细胞功能障碍引起的（见图1）。这些细胞代表了最小的全功能心肌模型系统，可以检查其离子调节、力产生、舒张功能、细胞信号传导和基因表达。许多重要的研究途径涉及对单个心肌细胞的研究，而这类研究通常使用光学显微镜来检查从啮齿动物中提取的活细胞。例如，基于显微镜的仪器平台可以进行一系列多模式实验，以研究辅助收缩（涉及心肌细胞缩短）和等张力（在没有物理缩短的情况下产生的力量）。这两种力在单个细胞中的正确运作使得心脏能够执行心搏周期的四个阶段（I-IV）（见图2）。图 1.一个心脏细胞，用膜染色剂Di-8-ANEPPS（绿色）标记，附着在MyoTak生物粘合剂（红色）上。Di-8标记心脏细胞的肌膜和t管膜，而粘合剂涂覆两个未显示的玻璃微棒，这些微棒用于附着和拉伸单个心脏细胞。（3D重建由宾夕法尼亚大学的Ben Prosser提供）新一代仪器旨在帮助推进这类研究。例如，来自IonOptix的最新MyoStretcher系统承诺使用简便，同时在力和运动测量方面具有优越的灵敏度——这得益于一对XYZ微操纵器，使研究人员能够拾取单个肌细胞。测量肌细胞在使用时，每个微操纵器都持有一个玻璃棒（通常直径为25µm，长度为500µm），该玻璃棒被浸入含有MyoTak的液滴中，MyoTak是一种由细胞外基质（ECM）蛋白和多糖组成的粘合混合物。在让这部分干燥后，操作员接触在缓冲液下躺在室玻璃上的肌细胞的两端。大约需要10s细胞才能粘附到棒上，之后就可以将其从玻璃上提起进行实验。一旦一个肌细胞被选中，它可以被物理或电刺激，和/或以各种方式量化其操作（可选配件）。例如，系统的压电致动器可以对细胞施加机械拉伸力，或者可以使用贴片钳型电极来刺激细胞。单个肌细胞产生的收缩力在10-1000nN范围内，可以通过一种名为OptiForce的光学方法进行测量（见图2）。简而言之，一个悬臂梁被连接到力传感器头上。悬臂远端的反射表面的位置是通过光纤耦合激光二极管（1550nm）的背反射干涉法确定的。因为肌细胞的位置可以测量到波长的一小部分，所以可以研究接近零的等张收缩。OptiForce 通过两种方式实现在分子水平上观察心肌细胞的活动：一种是监测钙离子活动的动态局部变化，另一种是测量肌原纤维长度的变化，肌原纤维是由参与收缩的分子组装而成的条纹（深色和浅色带）。在静息状态下，肌原纤维的间距大约为1.8µm。该仪器使用高速（250Hz至1kHz）CCD相机在红光照明下实时捕捉明场图像。系统软件对成像的条纹进行快速傅里叶变换（FFT）分析，以获得非常精确的肌原纤维长度平均值，无论细胞是在收缩还是放松状态。图2. 使用IonOptix OptiForce传感器可以实现nN-µN范围内的稳定力测量，具有非常快的响应时间。通过夹持舒张期和收缩期的力水平，用户可以在单细胞水平上模拟心脏周期的四个阶段（I-IV）。正如在显微镜成像中广泛用于其他代谢过程的观察，通过使用钙离子探针，也可以追踪心肌细胞在亚细胞、分子水平上的代谢活动，这些探针的荧光特性定量地依赖于局部钙离子的浓度。这是通过使用一个集成的氙灯和一个正置荧光适配器来实现的，同时使用相机配合二向色滤光片。根据IonOptix的应用科学家Dr. Joe Soughayer的说法，“我们最新版本仪器的目标是使科学家能够提高他们测量的分辨率和灵敏度。在等张实验中，一个肌细胞只会表现出总共1µm或更少的移动。最终，我们希望达到技术的极限，这一极限是由MyoTak粘合剂的顺应性所设定的。因此，我们对微操纵器有两个关键要求。它们需要提供接近零漂移；亚微米级别的漂移和/或松动将使得准确测量我们的客户想要研究的微小力量和运动变得不可能。此外，这些通常是复杂且具有挑战性的实验，所以我们希望有一个系统，它具有简单、直观的控制功能，没有真正的学习曲线，用户可以专注于科学研究。”MyoStretcher 包含了一对这样的子系统，它们分别配置为右手和左手型，其中玻璃棒安装在每个子系统的Z轴上。选择微操纵器存在许多基于不同技术的微操纵器类型，包括液压、微步进电机和压电技术。IonOptix选择了基于直流/伺服电机的三轴微操纵器——这是Siskiyou公司MX 7630的定制OEM版本（见图3）。选择的原因与直流/伺服电机的优势有关，它们提供了所需的行程范围和分辨率，而压电技术则没有足够的运动范围来执行关键的肌细胞拾取动作。此外，直流执行器可以保持位置，而无需像步进器和压电器那样消耗电力。即使在静止状态下，即在测量过程中，电流的抽取也必然会不可避免地产生不需要的热量。热漂移总是精密定位的敌人。所以，直流（DC）执行器具有固有的超低漂移潜力，即使在长时间的实验中也是如此。此外，一些实验可能还包括电生理学测量，在这些测量中，必须避免任何电磁干扰噪声（EMI），因为涉及到微弱的电信号。图3. MyoStretcher集成了来自Siskiyou的一对三轴微操作器（右手和左手配置）。在DC/伺服选项中，MX7000系列展示了与MyoStretcher目标性能（测量精度达到1nN）相兼容的最低的游隙和漂移，同时在每个轴向上提供高达20mm的运动。带有防反冲齿轮头（在每个轴上）的电动执行器驱动交叉滚柱轴承的高度线性载物台，消除了轴向和横向间隙，预加载的螺杆驱动器避免了静止时（即在典型的单肌细胞实验中）漂移的可能性。此外，由于三个轴向子系统最初是为要求严格的电生理学（膜片钳）实验开发的，因此它们与高倍光学显微镜的有限访问空间完全兼容。这些微操作器也提供简单的操作。控制器有两个预设速度设置：快速（1.7mm/s）和中速（300µm/s）。第三个速度选择器（慢速）有一个可变的330°电位器，它允许从50µm/s连续调整速度到2µm/s。将速度选择器设定在最慢的设置下，通过简单地按下一个轴按钮，可以轻松地进行一致的0.2µm移动。几个实验室已经发表了由1nN力敏感度支持的研究，这项技术有望进一步推动我们希望最终能够减少心脏病并为受影响者提供更好治疗的发现。MX7600参数最大负载2 Ibs行程/轴20 mm最小可控运动0.1 µm间隙<5 µm点对点精度2 µm