#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！( 三 ) |美女|电子科技大学|药品|

本文插图
图3 细胞膜及细胞膜骨架网络结构建模
问题是，这种“骨架”结构对细胞膜应力的影响有多大？虽然在2010年已经有研究表明，细胞膜下的肌动蛋白丝可能对能否刺入十分重要，但是该项研究并没有对此作出精确的量化描述。
经过实验与有限元分析，范娜证实，由于细胞膜骨架具有网格结构，细胞膜在针刺过程中的应力呈明显的分段现象（应力分段点S）。在应力分段点S之前，细胞膜的应力增加很快，之后趋于稳定。如果细胞膜在S点之前不能刺入，就很难再刺入了。因此，要提高“穿透率”的最好方法，就是提高第一阶段细胞膜的应力。

本文插图
图4 细胞膜应力分段效应仿真计算（S点为应力分段点，红绿蓝曲线分别为细胞膜、肌动蛋白、微管的应力曲线）
如何提高“第一阶段细胞膜的应力”？原理其实很简单，一种方法是增加细胞膜上的表面张力，他们给细胞表面刷了一层“胶水”——“鼠尾胶原I型蛋白” ，这样就把软踏踏的细胞膜绷紧了一些，更容易扎破。另一种方法是减少纳米针与细胞膜之间的接触面，通俗地说，就是让针更细、更尖锐。

本文插图
图5 三组对比实验：金字塔探针、细胞表面加胶原、纳米细针得到的“刺入力”和“刺入力”的关系
实验显示，没有经过任何处理的细胞，刺入力为1.23±0.49纳牛， “刺入率”只有13%；而给细胞涂上“胶水”之后，刺入力减小到0.86±0.32纳牛， “刺入率”却提升至39%；如果用更加尖锐的纳米针，刺入力可减小到0.58±0.13纳牛， “刺入率”高达70% 。
执着的信念：“用力学方法给生物学带来了一份厚礼” 给细胞扎针的难题和谜团终于揭开，论文评阅人给出了高度的评价：“这是世界上第一次用细胞生物力学方法对细胞膜的应力给出精确的、量化的描述。 ”范娜从2015底年开始关注这个问题，到2018年终于做出成果，她与团队成员一起用了2年多的时间给出了科学解释。

本文插图
范娜（左）与学生合影
做出这项成果并不容易。范娜是2013年来到电子科大加入彭倍教授团队的。此前，她虽然在读博期间接触过生物力学，但研究的主要是髋关节的摩擦噪声问题。深入到纳米量级研究生物力学，在人生中还是第一次。她选择了一个生物力学和纳米力学交叉的切入点，那就是细胞。
而此前，她对细胞的研究没有任何基础。因此，一切都得从零开始。 “其实，我们课题组没有一个老师有细胞研究方面的学术背景，更不用说开展这种活体单细胞研究了。 ”她说，一切都是从零开始的：从零开始梳理文献，从零开始学习请教，从零开始寻找合作。
没有纳米细针，就找上海的某研究所加工；不懂细胞刺入方法，就去重庆大学生物工程学院寻求合作。遇到难题或瓶颈，就找彭倍教授、姜海副教授讨论，并发动团队内的博士、硕士一起想办法，进行思想碰撞、头脑风暴。
精准操控原子力显微镜给单个细胞扎针也是一个高难度的技术活。由于纳米针很细、很脆而且价格不菲，因此扎针时要求操作很稳很准，否则针头折断，买针头的钱就打水漂了。设定每一个“触发力” ，都要进行预实验和正式实验，整个实验中，她给细胞扎针的次数多达成千上万次。
由于实验方案需要和合作单位共同商榷，在做实验的半年时间里，她经常往返于电子科大和重庆大学。后期的数据整理、统计和分析的工作量也很大，团队的博士生、研究生甚至本科生都积极参与了进来。论文的撰写（包括图片和图表制作），范娜和姜海副教授总共经过了32遍修改。