温度敏感生物细胞中的激光控制细胞内流
发布时间：2023-07-20 08:00:00 阅读数： 97
A) 红外激光沿单线反复扫描产生的模拟温度分布。高度局部加热导致沿线温度相对大幅上升。B) 两步扫描模式可均匀加热整个 ROI：前向扫描后向扫描的目的是抵消除 "流动线"（中线）以外的所有地方的净流动，在 "流动线 "上，扫描指向相同的方向，其效果得到加强。资料来源：Antonio Minopoli、Susan Wagner、Elena Erben、廖伟达、Iliya D. Stoev、Eric Lauga 和 Moritz Kreysing。
微操纵技术被广泛应用于材料科学、胶体物理学和生命科学的各种领域，从纳米结构组装和粒子捕获到细胞组织的时空分析。引入的光学诱导热粘流，即聚焦光诱导细胞质流（FLUCS），可以操纵细胞和发育中胚胎的细胞质。
当加热点刺激物在流体薄膜中反复移动时，热膨胀和温度引起的粘度变化会产生复杂的相互作用，从而产生热粘性流。具体来说，通过红外激光光斑扫描样品产生的局部加热会引起流体密度和粘度的微小局部变化，从而导致局部可压缩流体流动，并产生示踪剂的净传输。
虽然 FLUCS 具有产生定向流的优势，而且侵入性大大降低，但样品仍会受到一定的温度调节。这可能会影响对热高度敏感的系统，如对热敏感的哺乳动物细胞。
在发表于《eLight》的一篇新论文中，卡尔斯鲁厄理工学院的 Moritz Kreysing 教授领导的科学家团队开发出了近乎等温的扫描序列，为新的软物质和生物医学开辟了一条道路。
该研究小组的研究表明，一种循序渐进的光学策略可以将激光诱导的流动和加热区分开来。他们使用了以前被忽视的自由度，这些自由度伴随着流场的光学生成。通过引入额外的反向路径，在所需轨迹周围对称排列，使感兴趣区域（ROI）的温度分布均匀化。
研究小组特别利用了三个不同时间尺度上的对称关系。这导致了局部均匀的温度分布，同时诱导了定向流动，其流动线与标准 FLUCS 相比基本没有改变。此外，样品通过外部珀尔帖冷却系统冷却到所需温度。
研究人员已经证明，这种被称为等温-FLUCS（ISO-FLUCS）的技术可以将加热时间至少缩短 10 倍，同时实现热粘流，其大小远远超过草履虫子实体中的内源流。
A) 在没有外部刺激的情况下，早期发育的秀丽隐杆线虫胚胎中的内源性流动。B) 沿着（a）中以品红色标出的椭圆形 ISO-FLUCS 图案扫描获得的细胞质流。比例尺：20 μm。流场单位条（绿色箭头）： 0.5 μm/s。C) 樱桃微分强度测量显示 ISO-FLUCS 过程中 elegans 胚胎内部温度分布均匀。标尺条： 10 μm。资料来源：Antonio Minopoli、Susan Wagner、Elena Erben、廖伟达、Iliya D. Stoev、Eric Lauga 和 Moritz Kreysing。
鉴于 ISO-FLUCS 在保留 FLUCS 主要特点的同时大幅降低了加热影响，研究人员相信，ISO-FLUCS 将成为生物和材料科学领域高温度敏感系统中此类光学微操作的新标准。
ISO-FLUCS 可大幅提高样品内部的温度均匀性（标准偏差最多可降低 20 倍）。这些结果是通过在成熟的 FLUCS 中加入三个新要素实现的：(i) 流动和加热解缠；(ii) 多时间尺度扫描序列对称；(iii) 残余高阶场抵消。
中性扫描线被方便地包含在图案中，以平整相关区域（数百微米2）的温度梯度。时空对称扫描序列确保了热粘性流场的可预测性和高度对称性。传统 FLUCS 的加热水平先前已被证明是敏感生物系统（如发育中的线虫子代）可以承受的。
ISO-FLUCS 所提供的干净利落的气流分离和局部加热不仅将成为在活体标本内进行精确气流操作的无可挑剔的新标准。它还为专门处理与力学和力以及与温度相关的生物化学速率方程有关的各类物理刺激奠定了基础。这将消除由测量引起的与温度相关的材料反应，从而推动流动驱动微流变学的发展。
由于 ISO-FLUCS 的工作温度范围非常窄，可以得到很好的控制，因此有望在研究对温度敏感的聚合物或颗粒水凝胶方面得到广泛应用。准确测定溶胶-凝胶转变对于了解新出现的宏观特性至关重要。ISO-FLUCS 的精细温度控制还可用于研究许多具有高度相分离倾向的系统的旋光分解。
研究小组相信，ISO-FLUCS 将取代 FLUCS，成为在最敏感样品中进行此类激光诱导光学微操作的新标准。此外，ISO-FLUCS 与快速增长的利用温度刺激在微米和纳米尺度上操纵胶体和生命系统的群体产生了共鸣。未来，该团队预计 ISO-FLUCS 将为激光辅助人类生殖医学等医疗应用案例铺平道路。
参考资料
Antonio Minopoli et al, ISO-FLUCS: symmetrization of optofluidic manipulations in quasi-isothermal micro-environments, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00049-z
