导语：

三百多年前，列文虎克用自制的显微镜第一次窥见了微生物的世界，让人类看见了肉眼不可见的生命维度。今天，科学家们正面临一个同样“看不见”的挑战：细胞内的微观力学作用，是如何调控细胞的形态结构改变的。这种无形的“力”长期以来无法被直接、实时观测，尤其是活细胞内部。直到科学家设计出一种“会发光的分子弹簧”，才终于像当年列文虎克那样，推开了观测细胞力学世界的那扇窗。

这种革命性的工具，就是基于荧光共振能量转移（FRET）原理构建的角度荧光张力探针，它能将细胞内无形的“牵拉张力”转化成清晰可见的“光学信号”，让我们能“看见”活细胞的力学活动。

一、会发光的“分子弹簧感受器”——是怎么工作的？

想象两个小荧光分子，一个发蓝光（叫“供体”），一个发黄光（叫“受体”）。当它们靠得很近时，蓝光的能量会悄悄传给黄光，让它发亮，这就是FRET现象。

科学家把这两个“小灯泡”装在一个牵拉蛋白中间或悬挂在骨架外侧，中间连上一段像“弹簧”一样的结构。当连接蛋白受到外力拉伸时，“弹簧”被拉长或发生角度变化，两个“灯泡”之间的距离或相对角度就会改变。这直接影响了能量传递的效率：蓝光变强，黄光变弱。

这样一来，我们只需要检测蓝光和黄光的亮度比例，就能推测连接蛋白受到多大力的牵拉。看不见的“细胞微观力”，就此被“翻译”成了显微镜下可视化的光学信号。

二、从“看到光”到“看清力”：真正的可视化

南京中医药大学郭军教授团队开发的这项技术真正革命性的突破，是实现了细胞内力学分布的可视化：

“力分布的实时成像”——一张动态的力学地图

在图像中，不同区域会呈现不同的颜色比例：偏红代表高张力，偏蓝代表低张力。仿佛一张实时更新的“细胞力学GPS地图”，清晰标注出哪里在用力、哪里在放松。

“时间依赖的力学作用的持续变化”——一部细胞内的“行车记录仪”  

通过FRET张力探针，科学家能像观看“细胞力学实况录像”一样，捕捉到力的动态演变。例如，当细胞受到钙信号刺激时，微丝骨架张力会逐渐增强——这一过程完整记录了细胞对外界刺激的时序性适应。

“矢量分析细胞内各种牵拉张力的协同效应” ——一套分子尺度的“力学指南针”

基于FRET的角度探针（如拉伸型与扭转型）为在分子尺度解析细胞内的矢量力学提供了关键技术：前者主要测量力的大小，后者则能辨别力的方向。借助这类矢量信息，我们得以看清细胞是如何协同调控微丝、微管与中间纤维等骨架系统上的张力分布，从而整合出精确的合力方向与大小。

“力值的精确测定”——一台灵敏的“蛋白质弹簧秤”

通过精密的物理校准，FRET探针的颜色变化可以被换算成具体的力学数值。例如，可以测出细胞前缘某个特定蛋白质分子正承受着约12皮牛的拉力——这已经实现了对生命过程中微观力学作用的真正定量测量。

三、为什么它这么厉害？

基于FRET的角度荧光探针，其核心原理并非依赖机械弹簧，而是通过感知连接两个荧光分子的距离或角度的微观变化——这些变化直接源于分子间作用力的改变。正是这种分子级的力学感知机制，使其能通过基因编码“嵌入”细胞骨架蛋白，在不干扰细胞正常生命活动的前提下，实现了三大突破：实时观测活细胞内的力学动态；组合多种力学作用，实现细胞内矢量分析；精确定位力在细胞不同区域的分布。

结语：从“黑箱”到“光明”——力学研究的可视化革命

这种“用光看力”的技术，就像为细胞力学研究打开了一扇窗，将生物力学研究从传统的“黑箱”测量推向了“可视化、可量化、多维化”的新阶段。

它不仅为基础研究提供了强大的工具，未来还有望应用于药物筛选、疾病机制研究等领域，具有广阔的科研与应用前景。

列文虎克的镜片，让我们看到了生命的微小存在；而今天基于FRET的角度荧光探针，则让我们看到了驱动生命的、那无形却伟大的力量。这束照进细胞内部的光，正带我们走进一个更生动、更立体的生命世界，看见力如何书写生命的动态故事。

参考文献：

1.      Zhang J, Wang Y, Zheng Z, Sun X, Chen T, Li C, Zhang X, Guo J. Intracellular ion and protein nanoparticle-induced osmotic pressure modify astrocyte swelling and brain edema in response to glutamate stimuli. Redox Biol. 2019 Feb;21:101112. doi: 10.1016/j.redox.2019.101112.

2.      Yang C, Zhang X, Guo Y, Meng F, Sachs F, Guo J. Mechanical dynamics in live cells and fluorescence-based force/tension sensors. Biochim Biophys Acta. 2015 Aug;1853(8):1889-904. doi: 10.1016/j.bbamcr.2015.05.001.

撰稿人：陈秋彤