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干細(xì)胞的研究一直受制于供體細(xì)胞很難獲得，而且相關(guān)實(shí)驗(yàn)的倫理風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視。因此2007年發(fā)明的誘導(dǎo)式多能性干細(xì)胞(iPS)技術(shù)成為*佳的胚胎干細(xì)胞替代。iPS細(xì)胞在形態(tài)、基因和蛋白表達(dá)、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細(xì)胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細(xì)胞相似。但是iPS轉(zhuǎn)化過程中，會有一定的幾率發(fā)展為癌細(xì)胞。不同體細(xì)胞來源的iPS細(xì)胞成瘤性有差異。因此，如何篩選安全型iPS細(xì)胞是該技術(shù)能夠進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

原子力顯微鏡作為一種三維形貌觀察工具，不僅具備超高分辨率，而且支持在液體環(huán)境下工作，是一種理想的細(xì)胞觀測設(shè)備。除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以多種表面屬性進(jìn)行定量觀測。例如，基于力學(xué)測試的表面機(jī)械性能測試。這些特征為原子力顯微鏡應(yīng)用于iPS細(xì)胞觀測與篩選提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

為此設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別用原子力顯微鏡觀察未分化的iPS細(xì)胞和HeLa細(xì)胞。HeLa細(xì)胞是一種被廣泛使用的癌變細(xì)胞，因此可以和iPS細(xì)胞進(jìn)行對比觀察。

上圖顯示了SPM形狀圖像(a)HeLa細(xì)胞和(b)iPS細(xì)胞。用光學(xué)顯微鏡觀察到的相應(yīng)相位差圖像分別顯示在(c)和(d)中。圖中箭頭所示位置處的截面形狀輪廓如(e)和(f)所示。

從細(xì)胞形態(tài)上來看，HeLa細(xì)胞呈圓頂形，表面隆起比較高，約7um；而iPS細(xì)胞呈扁平狀且細(xì)胞間粘附呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞高約1.7um。仔細(xì)觀察細(xì)胞之間的邊界，可以看出HeLa細(xì)胞之間的邊界呈凹陷狀，而iPS細(xì)胞之間的邊界是凸起的，而且呈網(wǎng)絡(luò)狀。據(jù)此可分析得知這兩種細(xì)胞各自的間粘附具有差異，且HeLa細(xì)胞之間的粘附較弱，而iPS細(xì)胞之間的粘附較強(qiáng)。

除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以通過力學(xué)測量獲得細(xì)胞表面的機(jī)械性能。如下圖所示，用探針針尖壓觸細(xì)胞表面，通過對探針獲得的力反饋分析樣品各類機(jī)械性能。

對于本實(shí)驗(yàn)，在對64×64點(diǎn)的測量區(qū)域進(jìn)行測量后，從獲取的體數(shù)據(jù)中形成形狀圖像。該觀察中使用的探針是由OlympusCorporation制造的OMCL-TR800PSA并且具有0.15N/m的彈簧常數(shù)。測量是在培養(yǎng)液中的活細(xì)胞條件下進(jìn)行的。對細(xì)胞的最終壓力(排斥力)為2.5nN。通過比較從探針與樣品接觸的位置到達(dá)到2.5nN的力的變化，確定樣品的硬度。

(a)和(b)顯示了SPM觀察到的HeLa和iPS細(xì)胞的細(xì)胞形狀圖像，(c)和(d)顯示了相應(yīng)的ZX斷面圖像，是從樣品豎截面方向看時(shí)在(a)和(b)中箭頭所示的X線位置處施加到探針的力的圖像。圖中上方為測量起點(diǎn)，下方白色虛線為壓觸終點(diǎn)，顯示了樣品截面形狀輪廓。

在ZX圖像中，探針與樣品接觸后檢測到力的位置以黃色到紅色的顏色顯示。因?yàn)檫@表明探針對細(xì)胞的變形，所以可以理解較大量的細(xì)胞變形顯示細(xì)胞的較軟部分。可以從細(xì)胞變形量了解硬度。(c)中的HeLa細(xì)胞顯示出均勻的變形，但相比之下，在(d)中的iPS細(xì)胞中，細(xì)胞體較軟，細(xì)胞間粘附區(qū)較硬。

分析結(jié)果表明，HeLa細(xì)胞表面硬度比較均勻，軟硬部分差別不大，而iPS細(xì)胞主體較軟，細(xì)胞間粘附區(qū)較硬。

由以上測試可知，利用原子力顯微鏡對iPS細(xì)胞進(jìn)行表征，有潛力發(fā)展為正常細(xì)胞篩選以及剔除癌變細(xì)胞的合適工具。

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