导读
近日，深圳大学医学光子学创新研究院在集成纳米光子微系统领域取得重要进展，相关研究成果发表于国际知名期刊《Microsystems & Nanoengineering》(JCR一区，IF=11.1)。团队创新研发了一种集成纳米光子表面等离子体共振显微(SPRM)微系统，并建立了多参数信号提取框架，突破了传统标记检测方法在时间分辨率和连续监测方面的局限，实现了对单细胞黏附动力学的实时、无标记、多参数定量表征。该成果为药物筛选、细胞—材料相互作用研究以及生物集成传感提供了新的技术工具和研究范式。
本论文的共同第一作者为深圳大学物理与光电工程学院博士研究生黄松锋和医学部生物医学工程学院硕士研究生焦越，深圳大学王煜烨助理教授和邵永红教授为论文共同通讯作者，深圳大学为独立完成单位。
1. 研究背景
细胞与基底界面的黏附动力学，包括黏附强度、轴向位移和接触面积等动态变化，是调控细胞迁移、分化与凋亡等关键生物行为的重要基础。精准表征单细胞水平的界面耦合状态，对于理解肿瘤发生发展机制、评估治疗响应以及研究细胞外源刺激反应具有重要意义。
然而，现有主流检测方法存在显著局限：免疫荧光(IF)和流式细胞术(FCM)依赖外源性荧光标记，且多为终点式测量，通常需要经过细胞固定、透化或消化等处理过程，不仅会破坏细胞活性，也难以捕捉刺激发生后秒级尺度的早期界面动态响应。原子力显微镜(AFM)、光镊等技术虽具备纳米级空间分辨率，但往往需要施加外力，难以实现非侵入式、连续化的实时监测。
表面等离子体共振显微术(SPRM)因其无标记、高灵敏和倏逝场局域增强等独特优势，已成为细胞-基底界面研究的有力工具。然而，目前多数SPRM研究仍停留在定性成像或单参数分析阶段，尚未充分实现多维黏附信息的系统提取。因此，亟需将SPRM从传统成像工具进一步发展为具备多参数、定量化、集成化能力的微系统平台。
2. 技术创新
针对上述挑战，团队研发了集成纳米光子SPRM微系统(图1)。该微系统基于785 nm半导体激光器，依托sCMOS相机高速成像，通过精确监测金膜-细胞界面等离子体倏逝场的强度变化，实现对细胞黏附状态的实时捕捉与多参数解析。在信号分析方面，团队建立了多参数信号提取框架，可同步获得三项核心物理量：SPR反射强度、细胞-基底轴向位移(Z-position，分辨率约0.6 nm)和强黏附面积。在此基础上，团队创新提出黏附质量指数(AQI)，将黏附状态量化为0-1之间的连续数值，从而实现不同时间点、不同处理条件下黏附状态的直观比较和定量评估。
整个检测过程无需任何荧光标记和外力施加，可在单细胞水平实现实时、非侵入式连续监测，兼具纳米级轴向灵敏度与高时间分辨率。相比传统单强度SPRM分析，多参数协同提取策略显著提升了动态黏附响应的可解释性，为快速细胞过程分析提供了更丰富的信息维度。
图1 集成纳米光子SPRM微系统架构与工作原理
3. 验证与应用成果
为全面验证系统性能，团队首先设计了化学(胰酶处理)与物理(532 nm激光光热效应)双重扰动实验(图2)。结果表明，SPRM微系统可精确捕捉细胞黏附失效过程中SPR强度下降、Z-position增大和强黏附面积收缩等多参数耦合变化，且相邻非刺激细胞不受影响，充分验证了系统的灵敏度、空间特异性以及多参数之间的一致性。
图2 SPRM微系统在化学与物理刺激下的多参数验证
随后，团队进一步将SPRM微系统应用于光动力治疗(PDT)模型研究(图3)，以Ce6为光敏剂、白光照射产生活性氧(ROS)诱导细胞损伤。实验发现，在标准PDT条件下(10 μM Ce6 + 60 mW/cm²)，SPRM信号在光照开始后约25秒内即出现显著衰减——揭示细胞-基底黏附已在极早期发生减弱。这一时间点显著早于传统Annexin V-FITC/PI双染法检测到的早期凋亡信号(约400-600秒)。这表明，SPRM 所捕捉到的是传统生化检测方法难以及时识别的“黏附损伤”初始阶段，为理解 PDT 诱导细胞损伤的早期事件提供了新的物理视角。
此外，系统成功实现了不同Ce6浓度(10、20、30 μM)下PDT治疗效能的定量区分，衰减速率常数k值在各浓度组间呈现显著差异，证明该系统具备用于定量疗效评估的潜力。对照组实验显示，在无 Ce6、仅光照条件下，细胞黏附状态基本保持稳定(AQI > 0.6)，有效排除了光热效应和光毒性等干扰因素。
图3 SPRM微系统实时监测PDT过程中的细胞黏附动态变化
与传统IF/FCM方法的对比实验(图4)进一步凸显了SPRM的独特优势：传统方法通常依赖离散时间点采样，例如 0 秒、200 秒、400 秒，存在不可避免的采样盲区，且Integrin αV蛋白水平的统计显著变化在光照200秒后才能检出；相比之下，SPRM可进行实时连续采样，不仅避免了离散采样带来的信息缺失，也展现出约 25 秒即可捕捉早期黏附变化的高灵敏检测能力。
更重要的是，这一差异并不仅仅体现为检测速度或灵敏度的提升，而是揭示了 PDT 诱导细胞损伤过程中一个此前难以观测的早期阶段：细胞损伤可能首先表现为界面黏附失败，而非传统认知中以凋亡信号级联为起点。
图4 SPRM与传统IF/FCM方法对比：实时连续采样VS离散终点测量
该研究不仅在大多数光谱聚焦受激拉曼显微成像系统上易于升级，也为生命科学和临床医学中的快速无标记分子成像提供新工具。与传统SRS成像相比，SDRSRS的优势并不只是提高成像速度，更重要的是实现了两个关键分子振动通道的严格同步采集，从而保证了像素级的空间和时间对应关系。
4. 研究总结
本研究提出的集成纳米光子SPRM微系统，兼容常规商用光学器件，无需荧光标记和外力施加，即可在单细胞水平实现界面黏附动力学的多参数、实时、无标记定量表征。该系统将细胞响应评估从静态、标记依赖的终点测量推进到动态、非侵入的连续分析时代，为发现传统生化手段无法触及的早期细胞事件提供了全新物理视角。未来，该平台有望进一步拓展至细胞—材料相互作用、力学生物学调控、外源刺激响应研究，在药物筛选、生物集成传感等领域具有广阔应用前景。
项目支持
本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技研发与创新基金、深圳市医学研究基金及深圳大学2035卓越研究计划等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01403-0
