將外源分子注入單細胞以及對細胞內部做力學研究是細胞生物學的研究熱點之一，但是做到這些的前提是將針尖刺入到細胞內部。
用針頭扎破細胞，成功率只有20%-80%，為什麼有的細胞扎不進去？原因是：有的細胞像皮球，而有的像帳篷。
然而，大量實驗表明，由磷脂雙分子層構成的細胞膜就像一道神奇的屏障，即便是比頭髮絲細一千倍的納米針也很難刺入，成功扎透細胞膜的概率在20%到80%之間，有時候甚至怎麼都扎不進去。
電子科技大學機械與電氣工程學院美女學者範娜博士
小小細胞隱藏著諸多奧秘，細胞膜究竟具有怎樣的力學特性，長期令人難以捉摸。為了探究細胞膜的應力機制，機械與電氣工程學院彭倍教授團隊青年教師、中共黨員範娜博士從細胞生物力學的角度做了長期研究。
她最終為徹底解開這個謎團帶來了全新的思路，發現了納米針尖和細胞膜相互作用時的刺入機理，並找到了兩種大幅度提高“刺入率”的訣竅。
這是機械與電氣工程學院在細胞生物力學研究領域的重要突破，其研究成果已在國際著名期刊《Small》上發表。
彭倍教授團隊青年教師範娜為該論文的第一作者、副教授姜海為共同第一作者，彭倍教授為論文聯合通訊作者，電子科技大學機械與電氣工程學院為第一作者單位和通訊作者單位。
發現科學問題：給細胞打針充滿謎團
刺入活體細胞探究生命的奧秘是生命科學家的夢想，尤其是，如何給人體普遍存在的成纖維細胞注入藥物、蛋白質或轉錄因子，以誘導這些普通的細胞變成“萬能”的“誘導多能幹細胞”，成為越來越強烈的需求。
設想一下，只要取一個成纖維細胞，比如普通的皮膚細胞，就可以誘導產生幹細胞，進而分化成完全沒有免疫反應的全新的眼角膜、全新的皮膚、全新的器官，這將是多麼奇妙的事情！這項技術一旦成熟，將會為人類的生命和健康事業帶來巨大的福祉。
圖1 納米探針給細胞“扎針”
有了這種技術，人類要研發和測試新藥也可以摒棄傳統的、在倫理方面飽受詬病的動物活體試驗方法，而是通過在體外培育特定的人體細胞組織，並放心地進行高通量的藥物測試。這樣既可以大大縮短測試新藥的時間，也可以更加準確地瞭解藥物的效用。
然而，細胞膜的存在給生命科學家進入細胞內部設置了一道巨大屏障。這層薄膜主要由磷脂雙分子構成，厚度僅為8-10nm，具有半透性且富有流動性。
在針刺方法誕生之前，要想突破這層防線，就得派遣“比針尖還小一萬倍”的“特洛伊木馬”，即讓攜帶轉錄因子的病毒對細胞進行轉染。
但是，使用病毒轉染的方式存在致癌風險且轉染成功的概率僅為1%，尤其是很難區分哪些細胞已被轉染、哪些細胞未被轉染，轉染程度無法進行精確的量化控制。
因此，科學家逐步探索出了無病毒、非破壞性、可量化控制的新方法，即給細胞“打針”，直接把藥物、蛋白質或轉錄因子精準地注入單個細胞內部。
範娜在梳理學界給細胞“打針”的研究成果時發現，納米針要刺入細胞膜並不容易，刺入效率的範圍低時可至20%，高時可達80%，浮動區間很大，各不相同。
雖然生物學家已經注意到這個現象，但“知其然而不知其所以然”。
因此，她敏銳地意識到，生物力學的研究方法或許可以為解釋這個現象提供新的思路和科學依據，進而找到提高刺入率的有效方法，為生物學家探索細胞內部的奧秘提供理論和技術支持。
親自動手扎針：連扎幾百次發現應力變化特點
“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”給細胞扎針到底有什麼樣的力學特徵？範娜認為，要了解這些信息，首先得自己動手扎一紮。他們所用的“納米針”和成纖維細胞都很容購買，在實驗室裡完全可以重複前人的研究。
“納米針”的學名叫做“原子力顯微鏡探針”（AFM tip），其針尖直徑一般為20至100納米，小到肉眼根本無法看見。這種設備十分靈敏，可以測量到很微小的力——納牛（nN）。1納牛等於10億分之一牛。我們手指輕敲鍵盤的力約為7億納牛。
有了靈敏的“納米針”，就可以開始給細胞“打針”了。他們先給“納米針”設定一個力值“開關”，然後從針尖接觸到細胞膜開始逐漸下壓，加載力也因此逐漸增加，當力的大小達到“開關”位置時，“納米針”就立馬彈回來，這個力就是所謂的“觸發力”。
在逐漸用力的過程中，如果細胞膜沒有刺破，可以把“觸發力”提高一點再刺；如果細胞膜在某個力值被刺破了，力的變化曲線就會記錄下這個數值，這個數值就是“刺入力”。實驗中，她分別對30個活細胞進行針刺實驗，每個細胞重複刺4次，一共得到120組數據。通過統計刺入和沒有刺入的力曲線，得到了“觸發力”“刺入力”與“刺入率”之間的關係。
她分別測量了“觸發力”為1納牛、3納牛、5納牛、8納牛時的“刺入力”，每個力值得到120組力曲線數據。通過分析、統計實驗數據，她發現：“刺入力”遠低於“觸發力”，而且，刺入效率與“觸發力”也不成正比。
從下圖可以看到，當“觸發力”為5納牛時，“刺入率”達到最高的15%；再增大“觸發力”，“刺入力”依然在1.3納牛附近徘徊，“刺入率”反而下降到了12.5%。也就是說，無論加載的力道或大或小，“刺入力”總是偏向於一個比較穩定的值，不會隨“觸發力”的增加而增加。
圖2 細胞膜“觸發力”“刺入力”與“刺入率”的關係
按照一般的理解，扎針所用的力越大，肯定越容易扎透呀！如果畫一條曲線，那麼，“刺入力”肯定是在“加載力”最大的時候刺破細胞膜的。然而，實驗數據表明，這個“常識”是不可靠的。為什麼會這樣？
範娜提出了一個假說：在探針壓入細胞的過程中，細胞膜的應力不是持續增加的，可能存在分段的現象，細胞膜的應力達到一定的數值就保持不變了，只有這樣才能解釋“刺入率”不隨外界載荷增加而增加且“刺入力”遠小於“觸發力”的現象。
探秘細胞膜結構：“細胞膜不像皮球，更像一頂帳篷”
既然把細胞想象成“皮球”無法解釋實驗數據，那麼，細胞膜的應力變化和細胞膜的結構特徵肯定還有其他的可能。為了解釋這種可能，範娜在大量實驗的基礎上，建立了細胞膜“骨架”模型，提出了“細胞膜應力分段效應假說”並加以實驗驗證。
然而，應力是“單位面積上的內力”，無法直接測量出來，因此，若要驗證猜想，需要構建合適的數值模型來準確計算。而要構建數值模型，首先得了解細胞的結構。
已有的研究顯示，細胞膜下有一層肌動蛋白絲，像“柵欄”一樣把細胞膜分隔成許多隔室。不同類型細胞的肌動蛋白網格大小各有不同，範圍從30納米到230納米不等。早在1983年就有生物學家拍下了摩爾比為1：50的肌動蛋白/細絲蛋白網絡的電子顯微鏡照片。
再加上微管的支撐，細胞膜就神奇地有了“骨架”。範娜形象地比喻說，“在微管和肌動蛋白絲的支撐下，細胞其實更像一頂帳篷。”
圖3 細胞膜及細胞膜骨架網絡結構建模
問題是，這種“骨架”結構對細胞膜應力的影響有多大？雖然在2010年已經有研究表明，細胞膜下的肌動蛋白絲可能對能否刺入十分重要，但是該項研究並沒有對此作出精確的量化描述。
經過實驗與有限元分析，範娜證實，由於細胞膜骨架具有網格結構，細胞膜在針刺過程中的應力呈明顯的分段現象（應力分段點S）。在應力分段點S之前，細胞膜的應力增加很快，之後趨於穩定。如果細胞膜在S點之前不能刺入，就很難再刺入了。因此，要提高“穿透率”的最好方法，就是提高第一階段細胞膜的應力。
圖4 細胞膜應力分段效應仿真計算（S點為應力分段點，紅綠藍曲線分別為細胞膜、肌動蛋白、微管的應力曲線）
如何提高“第一階段細胞膜的應力”？原理其實很簡單，一種方法是增加細胞膜上的表面張力，他們給細胞表面刷了一層“膠水”——“鼠尾膠原I型蛋白”，這樣就把軟踏踏的細胞膜繃緊了一些，更容易扎破。另一種方法是減少納米針與細胞膜之間的接觸面，通俗地說，就是讓針更細、更尖銳。
圖5 三組對比實驗：金字塔探針、細胞表面加膠原、納米細針得到的“刺入力”和“刺入力”的關係
實驗顯示，沒有經過任何處理的細胞，刺入力為1.23±0.49納牛，“刺入率”只有13%；而給細胞塗上“膠水”之後，刺入力減小到0.86±0.32納牛，“刺入率”卻提升至39%；如果用更加尖銳的納米針，刺入力可減小到0.58±0.13納牛，“刺入率”高達70%。
執著的信念：“用力學方法給生物學帶來了一份厚禮”
給細胞扎針的難題和謎團終於揭開，論文評閱人給出了高度的評價：“這是世界上第一次用細胞生物力學方法對細胞膜的應力給出精確的、量化的描述。”範娜從2015底年開始關注這個問題，到2018年終於做出成果，她與團隊成員一起用了2年多的時間給出了科學解釋。
範娜（左）與學生合影
做出這項成果並不容易。範娜是2013年來到電子科大加入彭倍教授團隊的。此前，她雖然在讀博期間接觸過生物力學，但研究的主要是髖關節的摩擦噪聲問題。深入到納米量級研究生物力學，在人生中還是第一次。她選擇了一個生物力學和納米力學交叉的切入點，那就是細胞。
而此前，她對細胞的研究沒有任何基礎。因此，一切都得從零開始。“其實，我們課題組沒有一個老師有細胞研究方面的學術背景，更不用說開展這種活體單細胞研究了。”她說，一切都是從零開始的：從零開始梳理文獻，從零開始學習請教，從零開始尋找合作。
沒有納米細針，就找上海的某研究所加工；不懂細胞刺入方法，就去重慶大學生物工程學院尋求合作。遇到難題或瓶頸，就找彭倍教授、姜海副教授討論，並發動團隊內的博士、碩士一起想辦法，進行思想碰撞、頭腦風暴。
精準操控原子力顯微鏡給單個細胞扎針也是一個高難度的技術活。由於納米針很細、很脆而且價格不菲，因此扎針時要求操作很穩很準，否則針頭折斷，買針頭的錢就打水漂了。設定每一個“觸發力”，都要進行預實驗和正式實驗，整個實驗中，她給細胞扎針的次數多達成千上萬次
。由於實驗方案需要和合作單位共同商榷，在做實驗的半年時間裡，她經常往返於電子科大和重慶大學。後期的數據整理、統計和分析的工作量也很大，團隊的博士生、研究生甚至本科生都積極參與了進來。論文的撰寫（包括圖片和圖表製作），範娜和姜海副教授總共經過了32遍修改。
論文投稿後，他們共收到三位審稿人的反饋意見。其中一位審稿人高度讚揚了這項工作；另一位審稿人從論文寫作的細節性問題提出了建議。還有一位審稿人從應用前景的角度提出質疑，認為納米針價格昂貴，難以推廣應用，因此該項研究意義不大。對此，範娜毫不膽怯，先後兩次據理力爭，向專家闡述了這項工作的重要意義，最終說服了專家。2018年5月，論文最終在《Small》上發表。
“細胞生物力學是一個交叉學科，可以破解生物學家以前遇到的許多難題，至少可以提供新的視角和方法，為生命科學的研究提供有力幫助。”範娜引用“生物力學之父”馮元楨先生的話與所有的青年學人共勉：“聽從自己內心的聲音，永不放棄對為未知的探索。生命不息，奮鬥不止！”
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