细胞如何“感知”周围的环境并与之互动？这些微小到纳牛（nN）甚至皮牛（pN）的牵引力在驱动细胞迁移、调控干细胞分化，甚至在癌症转移中扮演重要角色。但是如何精确测量这种相互作用力，是相关研究首先要解决的一个关键技术问题。

近期，来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所的李辉研究员团队在Journal of Innovative Optical Health Sciences (JIOHS)发表综述文章，回顾了牵引力显微镜（Traction Force Microscopy, TFM）这一核心技术二十年来的发展历程。文章深入剖析了在光学成像、标记物设计和重构算法三大方面的不断突破下，TFM如何成功架起了从细胞生物学到细胞力学的桥梁，让我们得以一窥细胞的力量世界。

Ming Liu, Xuefei Chen, Bo Jiang, Chunyang Xiong, and Hui Li. Traction force microscopy: Bridging cytology and mechanics through optics.Journal of Innovative Optical Health SciencesVol. 19, No. 02, 2630004 (2026)

https://doi.org/10.1142/S1793545826300041

研究背景：为什么要测量细胞的“力”？

生命活动远不止生化信号的传递。细胞通过其骨架网络，不断地与细胞外基质（ECM）进行着力学上的“对话”。它们通过黏着斑（Focal Adhesions）伸出“触手”，感知基质的软硬，并施加“牵引力”来推动自身前行。这种力学相互作用深刻地影响着几乎所有的生命过程。TFM技术的核心思想，就是通过追踪嵌入在柔性基质中的“探针”（荧光标记物）的微小位移，来反向计算出细胞施加的力场分布图，如同一台精密的“细胞测力计”。

图1：TFM工作流程示意图，该图清晰展示了从样品制备到力场重构的完整技术路线

核心技术演进：看得更清、算得更快

作为一种典型的计算成像技术，TFM的精度和广度依赖于多个环节的协同创新。该综述详细梳理了其三大核心技术的演进脉络：

1.标记物与基底的创新：从“满天星”到“像素点” 早期的TFM采用随机分布的荧光微球作为标记物，虽制备简单，但分辨率受限。如今，从微柱阵列到利用蘸笔纳米印刷技术（DPN）制备的规则化标记物阵列，TFM实现了无需脱离细胞即可进行动态观测，为长时程的研究打开了大门。

2.光学显微技术的赋能：从“看得见”到“看清细节” TFM的发展与光学成像技术密不可分。文章回顾了从宽场荧光、共聚焦、到结构光照明显微镜（SIM）和受激发射损耗显微镜（STED）等超分辨技术的整合应用。分辨率的使得TFM解析单个黏着斑内部的精细力学分布，让我们对细胞“发力点”的认知提升到全新高度，但是同时带来的光毒性光漂泊问题需要进一步克服。

3.算法革新：从“物理模型”到“人工智能” 如何从位移场精确反演出力场？传统的傅里叶变换法（FTTC）和边界元法（BEM）虽应用广泛，但面临计算速度与噪声敏感性的双重挑战。近年来，以卷积神经网络（CNN）和U-Net为代表的深度学习算法异军突起，能够直接从原始荧光图像中预测牵引力分布，极大地提升了计算效率和鲁棒性，让实时力场成像成为可能。

图2：四种显微技术光路图及成像实例，直观对比了不同显微技术的原理和成像质量差异，是展示光学技术演进的关键图。

重要生物学应用：揭示生命活动的力学密码

凭借日益强大的功能，TFM已在众多前沿生物学领域展现出巨大价值：

• 细胞迁移机制：高分辨率TFM揭示，细胞迁移不仅有“推力”和“拉力”，还存在显著的“旋转力矩”（Torques），为理解细胞运动提供了新的维度。

• 癌症转移研究：研究发现，高转移性的癌细胞往往能产生更强的牵引力，并表现出明显的“力极性”，这为癌症诊断和治疗提供了新的生物力学标志物。

• 干细胞分化：TFM证实，基质的“软硬”能通过调控细胞自身的牵引力，来“指导”干细胞分化为骨细胞或脂肪细胞，揭示了力学微环境在细胞命运决定中的关键作用。

未来展望

文章最后指出，TFM正朝着纳米级分辨率、长时程活细胞、三维多细胞体系三大方向迈进。未来，结合光片显微镜、单分子定位技术（如MINFLUX）以及类器官芯片，TFM有望在接近生理真实的三维环境中，以前所未有的时空分辨率，长期追踪从单个细胞到细胞群体的力学时空动态，为发育生物学、免疫学、再生医学等领域带来革命性的见解。

通讯作者简介

李辉，中国科学院宁波材料技术与工程研究所“旗舰人才”研究员、博士生导师。长期致力于面向生物学研究应用的先进光学显微成像技术开发、仪器研制、图像处理和生物结构建模等方面的研究工作。

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