Discoverer生物型布里渊显微镜——类器官与三维细胞模型的力学表征

Discoverer生物型布里渊显微镜——类器官与三维细胞模型的力学表征

在过去的十年里，类器官技术彻底改变了生物医学研究的面貌。这些由干细胞自组织形成的三维微器官，在细胞组成、空间结构和功能上高度模拟真实器官，为疾病建模、药物筛选和个性化医疗提供了前所未有的平台。然而，一个关键问题始终悬而未决：我们如何在不破坏这些珍贵三维结构的前提下，评估其内部的力学特性？

传统方法如原子力显微镜虽有精度，但仅限于表面测量且需要物理接触；荧光染色虽能标记特定结构，却会引入光毒性和干扰样本的生理状态。Discoverer™生物型布里渊显微镜的出现，为这一困境提供了全新的解决方案——无需标记、无需接触，即可在三维空间中获取类器官内部的力学信息。世联博研（北京）科技有限公司是该产品的核心合作伙伴。

一、布里渊显微镜如何“看见”类器官的力学

布里渊显微镜通过检测激光与样本内部声子相互作用产生的布里渊频移，获取样本的力学特性。布里渊频移越高，代表材料越“硬”；频移越低，代表材料越“软”。每个像素点都包含局部刚度或粘度的信息，用户可以获得一个充满3D力学特性数据的数据立方体。这一技术对活体类器官的价值是显而易见的：无需切割、无需染色、无需接触，即可获得一张真正的“三维力学CT图像”，类器官得以在完全生理状态下被研究。

二、神经肌肉类器官：不同组织类型的力学差异

活体人类神经肌肉类器官的明场图像与布里渊扫描对比清晰展示了两者的关联与互补。神经肌肉类器官由多能干细胞衍生的神经中胚层祖细胞群体分化而成，其左侧部分主要由神经元组成的组织对应，右侧部分主要由肌肉细胞组成。布里渊显微镜在单次扫描中跨越整个类器官，覆盖了两种不同类型的组织。布里渊图谱清晰地呈现了两者在力学特性上的差异——神经元组织区域与肌肉组织区域展现出截然不同的刚度分布，这一差异在传统明场图像中无法直接识别。

三、肿瘤类器官与球体的力学异质性

肿瘤类器官保留了患者肿瘤的异质性特征，是研究肿瘤力学微环境的理想模型。以胶质母细胞瘤为例，研究人员发现，同一细胞系的球体表现出相对均一的生物力学特性，而来自同一患者的类器官则表现出更大的力学异质性。这种异质性可能与患者肿瘤内部不同区域的细胞状态、微环境及基因表达差异相关，为理解肿瘤的侵袭性和治疗抵抗提供了新的视角。

在乳腺癌研究中，MCF-7乳腺癌细胞形成的肿瘤球体经布里渊显微镜详细分析，以亚细胞分辨率区分了细胞核和核仁等细胞器的力学特性。由于细胞表达了细胞周期报告因子（FUCCI），研究人员可以实时追踪细胞周期进程，同时测量生物物理特性在不同阶段的演变。研究发现，布里渊显微镜的力学图谱与细胞形态、细胞核体积之间存在显著的相关性，为理解肿瘤细胞的力学调控提供了多维度信息。

四、时序追踪：长达14天的类器官力学演变

布里渊显微镜的非侵入性使其具备了类器官研究中极为难得的优势——长期时序追踪能力。在肿瘤球体研究中，研究人员可对单个类器官进行连续观测长达14天，追踪从单细胞到多细胞球体发育全过程中的力学演变。这一能力为理解类器官的发育过程提供了前所未有的视角，直接“看到”细胞在三维环境中组装、增殖和分化过程中的力学变化，而无需在不同时间点牺牲样本。

五、多孔板高通量扫描能力

多孔板mapping功能支持同时对多个类器官或球体进行自动化的力学扫描，为药物筛选和大规模表型分析提供了技术支撑。研究人员可在96孔板或384孔板中培养类器官，再通过Discoverer的MultiMap™功能自动完成多孔位、多区域的力学成像，实现从“通量”到“信息量”的双重提升。

特征与好处

                          特征                                                                                           好处

全光学非接触式力学成像，无需物理接触                                                               保持类器官三维结构的完整性和生理活性，不干扰其正常发育

无标记检测，无需荧光或化学染色                                                                               避免染料光毒性对类器官生理状态的影响，可在生理条件下研究

单次扫描跨越整个类器官，覆盖不同类型组织                                                       在单次实验中获取神经与肌肉组织的力学差异，效率高、数据关联性强

亚细胞分辨率，可区分细胞器层面的力学差异                                                       将力学研究推进到细胞核和核仁水平，理解微观结构与力学功能的关联

可开展长达14天的时序追踪                                                                                       追踪类器官从单细胞到多细胞结构的完整发育过程，无需牺牲样本

多孔板兼容与MultiMap™自动化扫描                                                                       支持高通量药物筛选和表型分析，大幅提升实验效率