原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 2 June 2020; 

online 12 June 2020

通过搭建三维单粒子荧光跟踪显微成像系统，并以量子点为示踪粒子导入活细胞，研究人员首次发现了贴壁细胞内的准二维扩散现象，揭示了细胞内的结构异质性。

生物大分子在细胞内的扩散是生命活动的重要基础，在代谢、信号传导、分化以及物质运输等方面中起到关键作用。另一方面，扩散反应了细胞内的拥挤程度以及亚细胞结构等微环境特征，提供了一种探索细胞内物理性质的有效途径。因此，细胞内的扩散动力学长久以来受到物理、生物、化学等领域的广泛关注。值得注意的是，尽管细胞内是三维空间，但是在过去三十多年的研究工作中，人们主要借助二维成像等方法来测量细胞内生物分子的扩散特征，即仅观测三维运动在二维平面上的投影。过去的实验测量及相关研究，都是基于一个十分重要的假设——细胞内的扩散为三维各向同性。然而，上述假设的真实性、以及生物大分子在细胞内的三维扩散动力学并不清楚，缺乏直接的实验测量结果。

近日，北京师范大学系统科学学院的李辉课题组与中科院物理研究所的王鹏业课题组合作，首次实验发现了细胞内的准二维扩散现象。首先，为测量细胞内单个分子在三维空间的扩散，研究人员利用衍射环来测定荧光点的轴向位置(z方向)，搭建了一台三维单颗粒荧光跟踪显微镜，实现了细胞内单分子水平的横向27 nm（x,y）和轴向35 nm（z）高空间分辨，以及毫秒级的高时间分辨动态成像 (图1)。该系统对于追踪活细胞中生物大分子的快速扩散行为至关重要。然后，将单量子点荧光探针导入细胞质并跟踪，首次发现了贴壁细胞中量子点的扩散主要发生在xy平面上，其z方向的扩散速度及空间范围显著低于xy方向，即呈现出准二维扩散的特征(图2)。随后，研究人员进一步使用药物分别破坏了多种亚细胞结构，发现微管和微丝两种细胞骨架对于细胞内的准二维扩散影响很小。对于另一种广泛分布的细胞器内质网，尽管破坏其结构在一定程度上减弱了z方向扩散的受限性，然而并没有本质上改变细胞内量子点的准二维扩散特征。研究表明准二维扩散是贴壁细胞内生物大分子的一种稳定输运模式（图3和4）。

该工作证明了细胞内的扩散并非各向同性，生物大分子更倾向于在xy二维平面内运动。同时，准二维扩散揭示了细胞内结构的异质性特征。实验所采用的A549细胞（人肺癌细胞系）属于普遍的贴壁细胞，其内部细胞器等亚细胞结构沿细胞铺展方向（xy平面）分布，多种细胞器很可能共同构成了复杂的层状结构，从而导致生物大分子在这些层状结构之间的准二维扩散行为。

从细胞内的扩散动力学出发，该工作增进了当前对于“细胞机器”运行规律的物理机制的理解。细胞利用其内部结构特征来调控生物大分子的扩散输运，并进一步影响细胞的生物功能及行为。例如，贴壁细胞迁移（爬行）过程中，细胞后端的微丝结构不断发生解聚，并以微丝单体或寡聚体形式输运至细胞前端，参与新的微丝聚合。准二维扩散有助于提高微丝单体或寡聚体在细胞迁移方向的输运效率，缩短了从细胞后端到前端的搜索时间，从而促进了细胞前端的微丝聚合，实现细胞的快速迁移。

本文第一作者是中科院物理研究所的博士生江超，通讯作者是北京师范大学系统科学学院的李辉教授和中科院物理研究所的王鹏业研究员。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中科院青促会、中央高校基本科研业务费专项资金等经费的支持。

图1. 实验装置示意图及定位精度。（a） 三维单分子跟踪显微镜装置示意图；（b）双通道成像图像，右侧为衍射环图像；（c）衍射环半径和光点z位置的校准；（d）固定光点的3D轨迹；（e）固定光点的MSD曲线。

图2. 细胞内单个量子点探针的三维扩散轨迹及动力学分析。（a）细胞明场图像及量子点荧光图像；（b）细胞内量子点在细胞内的三维扩散轨迹；（c）典型单条量子点三维轨迹；（d）位置和扩散系数随时间的变化曲线；（e）不同方向和维度的MSD曲线比较；（f）扩散速度比较。

图3. 不同条件下的细胞内量子点扩散动力学。Ctrl，正常状态；Noc，破坏微管结构；LatA, 破坏微丝结构；Ion，破坏内质网。

图4. 不同条件下，细胞内扩散在xy平面和z方向的扩散系数D及扩散指数ɑ的密度分布图。

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