#力学#科普| 刺破细胞膜没那么容易！电子科大这位美女学者给单个细胞扎针上万次，终于发现原因！( 二 ) |美女|电子科技大学|药品|

因此，她敏锐地意识到，生物力学的研究方法或许可以为解释这个现象提供新的思路和科学依据，进而找到提高刺入率的有效方法，为生物学家探索细胞内部的奥秘提供理论和技术支持。
亲自动手扎针：连扎几百次发现应力变化特点 “纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。 ”给细胞扎针到底有什么样的力学特征？范娜认为，要了解这些信息，首先得自己动手扎一扎。他们所用的“纳米针”和成纤维细胞都很容购买，在实验室里完全可以重复前人的研究。
“纳米针”的学名叫做“原子力显微镜探针”（AFM tip），其针尖直径一般为20至100纳米，小到肉眼根本无法看见。这种设备十分灵敏，可以测量到很微小的力——纳牛（nN）。 1纳牛等于10亿分之一牛。我们手指轻敲键盘的力约为7亿纳牛。
有了灵敏的“纳米针” ，就可以开始给细胞“打针”了。他们先给“纳米针”设定一个力值“开关” ，然后从针尖接触到细胞膜开始逐渐下压，加载力也因此逐渐增加，当力的大小达到“开关”位置时， “纳米针”就立马弹回来，这个力就是所谓的“触发力” 。
在逐渐用力的过程中，如果细胞膜没有刺破，可以把“触发力”提高一点再刺；如果细胞膜在某个力值被刺破了，力的变化曲线就会记录下这个数值，这个数值就是“刺入力” 。实验中，她分别对30个活细胞进行针刺实验，每个细胞重复刺4次，一共得到120组数据。通过统计刺入和没有刺入的力曲线，得到了“触发力”“刺入力”与“刺入率”之间的关系。
她分别测量了“触发力”为1纳牛、3纳牛、5纳牛、8纳牛时的“刺入力” ，每个力值得到120组力曲线数据。通过分析、统计实验数据，她发现：“刺入力”远低于“触发力” ，而且，刺入效率与“触发力”也不成正比。
从下图可以看到，当“触发力”为5纳牛时， “刺入率”达到最高的15%；再增大“触发力” ， “刺入力”依然在1.3纳牛附近徘徊， “刺入率”反而下降到了12.5% 。也就是说，无论加载的力道或大或小， “刺入力”总是偏向于一个比较稳定的值，不会随“触发力”的增加而增加。

本文插图
图2 细胞膜“触发力”“刺入力”与“刺入率”的关系
按照一般的理解，扎针所用的力越大，肯定越容易扎透呀！如果画一条曲线，那么， “刺入力”肯定是在“加载力”最大的时候刺破细胞膜的。然而，实验数据表明，这个“常识”是不可靠的。为什么会这样？
范娜提出了一个假说：在探针压入细胞的过程中，细胞膜的应力不是持续增加的，可能存在分段的现象，细胞膜的应力达到一定的数值就保持不变了，只有这样才能解释“刺入率”不随外界载荷增加而增加且“刺入力”远小于“触发力”的现象。
探秘细胞膜结构：“细胞膜不像皮球，更像一顶帐篷” 既然把细胞想象成“皮球”无法解释实验数据，那么，细胞膜的应力变化和细胞膜的结构特征肯定还有其他的可能。为了解释这种可能，范娜在大量实验的基础上，建立了细胞膜“骨架”模型，提出了“细胞膜应力分段效应假说”并加以实验验证。
然而，应力是“单位面积上的内力” ，无法直接测量出来，因此，若要验证猜想，需要构建合适的数值模型来准确计算。而要构建数值模型，首先得了解细胞的结构。
已有的研究显示，细胞膜下有一层肌动蛋白丝，像“栅栏”一样把细胞膜分隔成许多隔室。不同类型细胞的肌动蛋白网格大小各有不同，范围从30纳米到230纳米不等。早在1983年就有生物学家拍下了摩尔比为1：50的肌动蛋白/细丝蛋白网络的电子显微镜照片。
再加上微管的支撑，细胞膜就神奇地有了“骨架” 。范娜形象地比喻说， “在微管和肌动蛋白丝的支撑下，细胞其实更像一顶帐篷。 ”