【摘要】 相关显微镜在解决生物医学目前面临的许多挑战方面越来越受到重视，特别是光学显微镜和原子力显微镜（AFM）的结合。

从分子-宿主-病原体相互作用到疾病获取和传播机制，各种工具已被用于解决致病性的不同方面。目前的知识差距包括对宿主-病原体相互作用的更直接理解，包括界面上的信号传导，以及致病性的直接表型确认。

 

相关显微镜在解决生物医学目前面临的许多挑战方面越来越受到重视，特别是光学显微镜和原子力显微镜（AFM）的结合。AFM，生成高分辨率表面形貌图像，并在生理相关条件下量化pN尺度的机械性能。当与光学显微镜相结合时，AFM可以探测病原体表面及其与宿主细胞的物理和分子相互作用，而各种光学显微镜模式可以观察病原体和宿主的内部细胞反应。

 

AFM在亚分子水平上提供形态、表面超微结构和纳米力学性能（力纳米显微镜）等不同参数的信息。与广泛使用的EM技术相比，AFM的显著优势包括方便简单的样品制备、在受控物理环境下的活细胞成像和高信噪比（S/N）。AFM为表征细胞表面、膜和包膜、细胞分裂和粘附提供了高含量数据。

 

AFM是了解细菌粘附的不可或缺的工具，这是致病性入侵的第一步，包括表面传感和附着到宿主细胞表面。在Ellison等人[1]的研究通过AFM的研究得出病原体感觉到其物理化学环境的变化，在适当的条件下，可以显著改变其表型和生理学，为附着做准备。而在致病性大肠杆菌和许多其他细菌中，表面传感和附着是由称为菌毛和菌毛的长附属物介导的。

 

附着后，大肠杆菌必须通过分泌蛋白质因子来破坏宿主的反应，最终导致宿主细胞的协同入侵和有效的定殖。基因敲除研究阐明了菌毛在粘附于非生物表面中的作用。然而，适当的功能表征需要高分辨率表型。

 

Berne等人[2]和Ellison等人[3]的研究中由菌毛蛋白组成的菌毛也已知参与致病性、水平基因转移、表面传感、运动性、生物膜形成、群集、群体传感和微菌落形成AFM提供了关于宿主-病原体相互作用、单细胞纳米操作和力学以及病毒结合事件的前所未有的细节。当与其他能够进行生物化学图谱绘制的技术结合使用时，AFM的能力得到了增强，并且是对研究病原体的传统分子遗传学方法的补充。最小的样品制备，加上在纳米尺度上成像和在几乎任何环境中测量pN力的能力，使得AFM在生物医学中不可替代。

 

[1] Ellison, C. K., Kan, J., Dillard, R. S., Kysela, D. T., Ducret, A., Berne, C., et al. (2017). Obstruction of Pilus Retraction Stimulates Bacterial Surface Sensing. Science 358, 535–538. doi: 10.1126/science.aan5706.

[2] Berne, C., Ducret, A., Hardy, G. G., and Brun, Y. V. (2015). Adhesins Involved in Attachment to Abiotic Surfaces by Gram-Negative Bacteria. Microbiol. Spectr. 3. doi: 10.1128/microbiolspec.mb-0018-2015.

[3] Ellison, C. K., Dalia, T. N., Dalia, A. B., and Brun, Y. V. (2019). Real-Time Microscopy and Physical Perturbation of Bacterial Pili Using Maleimide-Conjugated Molecules. Nat. Protoc. 14, 1803–1819. doi: 10.1038/s41596-019-0162-6.

 

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