4D细胞牵引力显微镜，三维矩阵和细胞形态牵引力重建评估系统

细胞行为至关重要的周围微环境的3D生理学相关维度与时间依赖的动态活动信息

4D牵引力量化分析系统背景及重要性：

三维 (3D) 结构内培养的细胞行为比在二维 (2D) 培养的细胞行为更能反映它们的体内本质。

目前对细胞-基质相互作用的理解主要基于对平面二维 (2D) 组织培养基质上的粘着斑和其他粘附结构的体外研究，

然而，3D 生理学相关性更高的与更能体现体内细胞本质的三维 (3D) 环境中的细胞行为已显示出显着差异，一个关键的组成部分是细胞外基质 (ECM)，

它通过细胞-基质相互作用为驻留细胞提供生物物理和生化线索。人们普遍认为，除了化学信号外，机械特性和信号在许多生理和病理过程中也起着至关重要的作用，

包括发育、生长、再生和癌症转移等疾病状态。因此，3D 环境中细胞-基质机械相互作用的量化对于增强我们目前对这些过程的理解为重要，为了推进目前对细胞基质

力学的理解及其对生物材料开发的重要性，的三维(3D) 测量技术是必要的。

法国的4D细胞牵引力量化分析系统是一套应用一种新颖的 3D 培养概念来量化评估细胞-基质相互作用，为研究生物学相关的细胞-基质相互作用，

结合了体内微环境的尽可能多的特征，适用于3D生理学相关性更高的实验。细胞可以完嵌入水凝胶中，并结合时间依赖性(4D)获取细胞更多动态信息，

该系统是公认的一站式 4D（3D+时间）牵引力准确、快速量化分析系统，是真实三维矩阵和细胞形态的牵引力重建评估模型。

该系统将复杂的方法结合到一个封闭且用户友好的软件中，该软件不需要代码操作即可在生物学研究中应用 4D TFM，这对机械生物学具有很强的前景。

特点：

实验人员可以输入原始显微镜图像，并通过交互式图形用户界面跟踪每个计算步骤以进行参数调整。可以选择不同的图像滤波器来处理各种类型的数据，并使用自由形式变形(FFD)算法进行位移测量。并已用于涉及单细胞和多细胞系统中 2D、3D 和 4D（延时）测量的各种实验研究中。 基于物理的非线性逆方法 (PBNIM) 提供了准确且计算效率高的力计算。该系统 将复杂的方法结合到一个封闭且用户友好的软件中，该软件不需要代码操作，并允许在生物学研究中应用 4D TFM，这对机械生物学具有很强的前景。

1、面体现细胞时（时间相关的活体动态信息）空（3D）本质的牵引力量化分析模型：

该系统结合使用相当于牵引力显微镜 (TFM) 的 3D 位移显微镜和活细胞流变学，描绘了位移传播和基质硬化的特征时间和长度尺度，

在3D基础上获取更多动态相关信息，这是理解细胞-基质机械相互作用的关键信息和下一代仿生材料的合理设计的关键。

可以进行真实的三维矩阵和细胞形态的牵引力重建评估。

2、无需基准标记即可对胶原中大细胞产生的变形进行3D场量化的技术

应用基于非刚性自由形式变形（FFD）的图像配准来计算MRC-5人肺成纤维等细胞在I型胶原水凝胶中诱导的场位移，仅依靠胶原原纤维的二次谐波生成（SHG），

基于二次谐波生成（SHG）的纤维成像可以避免使用基准标记只能测量位移幅度和应变通常分别为几微米和小于10%的数量级的相对较小的变形限制,可用于在原纤维生物材料

（如胶原蛋白）中施加牵引的细胞可能会产生大而复杂的变形场，可以从原纤维和荧光珠中得出可比较的位移场。

这些算法允许捕捉大的材料变形，同时通过将从粗到细的方法与迭代图像扭曲过程相结合来显著提高计算出的位移的空间分辨率。

基于FFD的图像配准，结合无标记的二次谐波生成（SHG）成像，能够准确计算大变形（此处定义为大于10%的应变幅度）下原纤维胶原中细胞诱导的场位移。

I型胶原原纤维的SHG信号具有产生高对比度和亚微米分辨率图像的优点。

新颖的方法将非刚性图像配准与无标记 SHG 成像相结合，能够恢复由纤维环境中的细胞引起的复杂和大的变形。 这是一种简单的技术，不需要传统使用的荧光珠，

但也有它们的所有缺点。 与基于珠子的成像的比较揭示了基于原纤维和基于珠子的位移场之间的良好定性和定量对应。 恢复能力。

允许在大位移（大约 10 μm）和应变状态（高达 40%）下测量 3D 场变形。 对于研究大细胞诱导的变形作为细胞-生物材料相互作用和细胞介导的生物材料

重塑的固有组成部分具有很大的前景。

3、的计算机验证框架，适用于任何 3D TFM 实验设置，可用于正确耦合 3D TFM 的实验和计算方面

√基于物理的三维非线性逆方法提高牵引力显微镜的分辨率

√通过基于物理的逆方法提高 3D 牵引力显微镜的准确性

√用于 3D 牵引力显微镜的准确、高效且易于访问的软件工具

√应用于体外血管疾病模型的新颖易用的 3D 牵引力显微镜

√牵引力显微镜框架下基于三维非线性物理约束小化的反演方法

√的 3D 牵引力显微镜可计算新血管生成中的力

√驱动增强了人类神经管类器官的模式化

4、可以处理不同的3D TFM 方法：基于珠子的 TFM和基于纤维的 TFM（具有纤维网络）

将细胞嵌入具有高度可调特性的合成材料3D 环境中，如聚乙二醇 (PEG) 以及更接近生理条件的天然材料，如胶原蛋白

或纤维蛋白水凝胶。使用高度仿生的合成纤维水凝胶来研究和定制双向细胞-基质相互作用。面了解细胞牵引、纤维

重塑、基质特性和细胞行为如何相互作用。在细胞长度尺度上完整绘制细胞-基质相互作用图，为合理设计更好的仿生

材料提供了不可或缺的信息

用途广泛：

可以处理不同的 3D TFM 方法，基于珠子的 TFM与基于纤维的 TFM此外，用户可以运行经典的 TFM 问题（使用应力图像和松弛图像 ) 

或延时 TFM (使用一系列应力图像和一个松弛图像)。如果研究人员的实验方案不包括细胞成像，基于基准标记的位移计算仍然是可能的，

典型创新应用：

√通过量化血管生成芽周围的基质变形和细胞力来筛选和工程化细胞外基质微环境

√研究人多能干细胞衍生类器官内在和外在机械力之间的机械传导反馈

√研究体外血管生成芽的牵引诱导基质位移

√量化血管生成芽周围的细胞外基质变形和细胞力

√3D 多细胞系统的细胞机械环境的定量成像

√在 3D 体外血管生成中获取细胞机械信息的计算工具

√胶原蛋白中内皮芽的肌动球蛋白依赖性入侵