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島津原子力顯微鏡——iPS細胞與癌細胞的對比與區分
干細胞的研究一直受制于供體細胞很難獲得，而且相關實驗的倫理風險也不容忽視。因此2007年發明的誘導式多能性干細胞(iPS)技術成為*佳的胚胎干細胞替代。iPS細胞在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細胞相似。但是iPS轉化過程中，會有一定的幾率發展為癌細胞。不同體細胞來源的iPS細胞成瘤性有差異。因此，如何篩選安全型iPS細胞是該技術能夠進入臨床實驗的關鍵。
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，而且支持在液體環境下工作，是一種理想的細胞觀測設備。除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以多種表面屬性進行定量觀測。例如，基于力學測試的表面機械性能測試。這些特征為原子力顯微鏡應用于iPS細胞觀測與篩選提供了技術基礎。
為此設計一個實驗，分別用原子力顯微鏡觀察未分化的iPS細胞和HeLa細胞。HeLa細胞是一種被廣泛使用的癌變細胞，因此可以和iPS細胞進行對比觀察。
上圖顯示了SPM形狀圖像(a)HeLa細胞和(b)iPS細胞。用光學顯微鏡觀察到的相應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。
從細胞形態上來看，HeLa細胞呈圓頂形，表面隆起比較高，約7um；而iPS細胞呈扁平狀且細胞間粘附呈網狀結構，細胞高約1.7um。仔細觀察細胞之間的邊界，可以看出HeLa細胞之間的邊界呈凹陷狀，而iPS細胞之間的邊界是凸起的，而且呈網絡狀。據此可分析得知這兩種細胞各自的間粘附具有差異，且HeLa細胞之間的粘附較弱，而iPS細胞之間的粘附較強。
除了形貌觀察外，原子力顯微鏡還可以通過力學測量獲得細胞表面的機械性能。如下圖所示，用探針針尖壓觸細胞表面，通過對探針獲得的力反饋分析樣品各類機械性能。
對于本實驗，在對64×64點的測量區域進行測量后，從獲取的體數據中形成形狀圖像。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。測量是在培養液中的活細胞條件下進行的。對細胞的最終壓力(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細胞的細胞形狀圖像，(c)和(d)顯示了相應的ZX斷面圖像，是從樣品豎截面方向看時在(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，下方白色虛線為壓觸終點，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。因為這表明探針對細胞的變形，所以可以理解較大量的細胞變形顯示細胞的較軟部分。可以從細胞變形量了解硬度。(c)中的HeLa細胞顯示出均勻的變形，但相比之下，在(d)中的iPS細胞中，細胞體較軟，細胞間粘附區較硬。
分析結果表明，HeLa細胞表面硬度比較均勻，軟硬部分差別不大，而iPS細胞主體較軟，細胞間粘附區較硬。
由以上測試可知，利用原子力顯微鏡對iPS細胞進行表征，有潛力發展為正常細胞篩選以及剔除癌變細胞的合適工具。
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