近日，深圳湾实验室侯尚国联合杜克大学Kevin Welsher研究团队在Chemical & Biomedical Imaging发表了题为Mapping Nanoscale Forces and Potentials in Live Cells with Microsecond 3D Single-Particle Tracking的研究论文。该研究开发了一种名为3D-SMARTER(Single Metal-nanoparticle Active Real-time Tracking with Enhanced Resolution) 的全新显微模态，首次在活细胞环境下实现了单微秒级、纳米精度的三维力场制图。

在活细胞中，纳米颗粒、囊泡、病毒样颗粒或膜表面受体的运动并不是简单的随机扩散。它们的三维运动轨迹背后，往往隐藏着复杂的生物物理信息，包括局部黏度、空间限制、分子马达牵引、膜表面相互作用以及纳米尺度势阱。换句话说，一个颗粒的运动轨迹，可以被看作其与细胞微环境相互作用的动态记录。

然而，要从单颗粒轨迹中反推出纳米尺度力和势能分布，对显微成像技术提出了极高要求：既要有纳米级空间定位精度，又要有微秒级时间采样速度，还要能够在活细胞中进行长时间连续观测。传统荧光单颗粒追踪方法受限于荧光探针的光漂白、闪烁和有限发光速率，难以同时满足这些要求。

近日，深圳湾实验室侯尚国联合杜克大学Kevin Welsher研究团队在Chemical & Biomedical Imaging发表了题为Mapping Nanoscale Forces and Potentials in Live Cells with Microsecond 3D Single-Particle Tracking的研究论文。该研究开发了一种名为 3D-SMARTER (Single Metal-nanoparticle Active Real-time Tracking with Enhanced Resolution) 的全新显微模态，首次在活细胞环境下实现了单微秒级、纳米精度的三维力场制图。

图1 3D-SMARTER示意图

核心技术突破：光物理机制与采样策略的协同优化

1. 偏振解耦散射检测（Depolarized Scattering Detection）

研究团队利用银纳米颗粒（AgNPs）极强的表面等离子体共振特性，替代了易漂白的荧光探针 。

• 高信噪比控制：通过引入正交偏振检测策略，显著过滤了来自盖玻片界面的反射本底，同时保留了 AgNP 产生的偏振去卷积散射信号，大幅提升了在活细胞深部成像时的信号背景比 。

• 光子通量极限：散射光信号不仅无漂白、无光致饱和，其光子计数率高达 3 MHz 以上 。

2. 信息高效采样模式（Information-Efficient Sampling）

3D-SMARTER 抛弃了传统的扫描格点模式，采用了基于费舍尔信息（Fisher Information）优化的 4-Corners 采样模式 。

• 采样周期压缩：单次扫描周期从 500 μs 缩短至 80 μs，为后续的超高速位置估计奠定了物理基础 。

• 反馈追踪：通过 FPGA 上的卡尔曼滤波（Kalman Filter）驱动压电台，使颗粒始终锁定在激光焦点的中心高线性区间 。

算法革新：递归贝叶斯估计突破机械带宽限制

传统的 RT-3D-SPT 分辨率往往受限于压电台约 1 kHz 的响应带宽 。3D-SMARTER 引入了递归贝叶斯位置估计算法（Recursive Bayesian position estimation） ：

• 时空分辨力：通过对 1 μs时间分箱内的光子到达信息进行贝叶斯重构，系统成功“解耦”了颗粒真实轨迹与机械平台的滞后，实现了 1 MHz 的采样速率 。

• 定位精度：在活细胞内展现了 2.5 nm (XY) 和 4.3 nm (Z) 的超高三维定位精度 。

捕捉细胞内分子马达的纳米步进运动

为了验证 3D-SMARTER 在活细胞动力学研究中的能力，研究团队首先将其用于观察 HeLa 细胞内银纳米颗粒的运输过程。未修饰银纳米颗粒可通过内吞进入细胞，并在细胞内表现出沿线性方向运动的行为。

通过三维轨迹分析，研究人员解析出颗粒沿特定方向的步进式运动，测得平均步长为 7.6 ± 2.5 nm，与经典分子马达运动的纳米步长尺度相符。这说明 3D-SMARTER 不仅能够记录颗粒在细胞内的整体运输轨迹，还能够进一步分辨其中的细微步进事件。

这一结果也强调了三维追踪的重要性。许多细胞内运输过程发生在真实三维空间中，仅依赖二维投影会低估颗粒位移和速度。高速三维追踪因此能够更准确地还原细胞内主动运输过程。

图2 3D-SMARTER用于捕捉细胞内分子马达的纳米步进运动

在丝状伪足表面发现纳米尺度“热点”

本研究进一步利用 3D-SMARTER 解析了颗粒与细胞膜表面丝状伪足之间的相互作用。丝状伪足是细胞表面细长的膜突起，参与细胞黏附、迁移、内吞和病毒入侵等过程，但其百纳米尺度的三维结构和动态相互作用长期难以被高精度解析。

研究中，团队使用 HIV TAT 细胞穿膜肽修饰银纳米颗粒，使其与细胞膜表面发生相互作用。利用 3D-SMARTER，研究人员观察到 TAT 修饰银纳米颗粒在 HeLa 细胞丝状伪足表面的受限扩散运动。单颗粒轨迹不仅勾勒出丝状伪足的三维圆柱形结构，还揭示出颗粒会反复访问某些局部区域，即纳米尺度“热点”。

进一步分析表明，这些热点并不能简单归因于随机扩散。颗粒在部分热点中表现出较长驻留时间，而随机游走模拟无法产生类似分布。更重要的是，TAT 修饰程度越高，颗粒在热点中的驻留越明显，提示这些局部限制可能与静电相互作用或多价膜表面相互作用有关。

图3 活细胞TAT多肽纳米颗粒追踪解析丝状伪足表面纳米尺度“热点”

从扩散轨迹到力场和势能图谱

传统单颗粒追踪分析通常关注平均平方位移和扩散系数，用于判断颗粒是否存在自由扩散、受限扩散或主动运输。但在复杂细胞表面，仅分析扩散快慢是不够的。颗粒变慢可能来自局部黏度变化，也可能来自真实的分子相互作用势阱，两者的物理机制完全不同。

本研究利用微秒级三维轨迹，进一步引入基于最大似然估计的局部扩散与力场分析方法，在丝状伪足表面重建了颗粒受到的局部力矢量和势能分布。结果显示，热点区域并不只是扩散系数降低的区域，而是存在方向性力场，能够将颗粒重新约束回局部纳米区域。通过对力矢量进行积分，研究进一步重建出丝状伪足表面的纳米尺度势能图谱。

这意味着，3D-SMARTER 实现了从“记录颗粒运动”到“解析局部能量景观”的跨越，使研究人员能够在活细胞复杂三维结构上直接测量纳米颗粒与局部微环境之间的相互作用。

图4 高时空精度运动信息用于提取力场和势能图谱

展望

生命过程发生在高度动态、复杂且非均一的细胞环境中。病毒入侵、膜受体聚集、内吞启动、细胞内运输和纳米药物递送等过程，都涉及纳米尺度力和势能变化。过去，这些物理量很难在活细胞中直接测量。

3D-SMARTER 提供了一种新的研究路径：通过长时间、高速、高精度地追踪单个散射纳米探针，让颗粒“走过”细胞微环境，并由其运动轨迹反推出局部力场和势能景观。未来，该方法有望拓展至金纳米颗粒、纳米棒等多种散射探针，用于研究更复杂的三维细胞结构、膜表面多价相互作用和细胞纳米力学过程。

深圳湾实验室侯尚国研究员和杜克大学Kevin Welsher教授为共同通讯作者，杜克大学/深圳湾实验室的张晨博士为共同第一作者。

文中涉及主要成像性能参数：

深圳湾实验室侯尚国课题组研究方向包括多维动态光学显微成像技术开发、病原体与宿主相互作用机制、定量生物分子动态成像和人工智能生物成像。课题组常年招收光学、电子信息、计算机科学、细胞生物学等相关专业博士研究生、博士后、研究助理等。欢迎感兴趣的优秀青年联系，课题组网站https://houlab.szbl.ac.cn/，具体招聘详情请查看深圳湾实验室网站招聘网页。

原文信息：

Mapping Nanoscale Forces and Potentials in Live Cells with Microsecond 3D Single-Particle Tracking

课题组网站：

https://houlab.szbl.ac.cn/

供稿|侯尚国课题组

编辑|鲍 啦

责编|远 山

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