细胞与细胞外基质之间的力学相互作用对疾病的演化及组织的生长发育等生理过程都有着至关重要的影响，例如癌症转移，细胞凋亡，干细胞分化等。深入了解细胞有丝分裂过程中的力学调控机理有助于从力学角度设计抗癌药物，为疾病诊断和治疗提供一种新思路。然而，传统的测量细胞所引起的外基质三维变形的方法，主要依赖共聚焦显微镜获取变形前后的体积图像。这会使得三维图像的最上层和最下层对应的细胞形态不一致，因此传统方法难以捕捉形态变化快速的细胞；再者，长时间激光扫描会引起强光毒性，对细胞活性造成严重的损伤。有丝分裂的细胞对光非常敏感并且形态变化很快，因此，传统的方法难以用于研究有丝分裂过程中的细胞与外基质之间的三维作用力。

本工作发展了一种基于单层荧光颗粒的牵引力显微镜方法，该方法极大地缩短了采样时间，降低了光毒性对细胞活性的影响，实现了对细胞有丝分裂过程中的三维牵引力的快速定量研究，并且具有高时空分辨率。该方法采用单层荧光颗粒追踪细胞引起的基底的三维形变，将二阶形函数与反向组合的高斯牛顿算法引入到数字体积相关算法中，提高了计算的准确度、精度和计算速度。

中科大张青川教授课题组发展了一种快速定量细胞与外基质之间三维牵引力的方法，实现了细胞形态快速变化过程中牵引力的测量。利用这一方法，揭示了细胞周期过程中人卵巢颗粒细胞与细胞外基质之间的高时空分辨率的三维力学相互作用：细胞进入有丝分裂期，面内和离面牵引力都急剧下降，一直在较低的数值波动，直到两个子细胞重新贴壁再逐渐增大。研究了临床上常用抗癌药物紫杉醇和诺考达唑对癌细胞有丝分裂的力学作用效果。发现低浓度的紫杉醇和诺考达唑对细胞的分裂以及牵引力都没有明显的影响。然而，高浓度的紫杉醇和诺考达唑作用下，细胞虽然都不能分裂，但是他们产生的牵引力大小却有显著的差异，无论是离面还是面内，紫杉醇引起的牵引力都远大于诺考达唑和对照组。

同时，本工作揭示了细胞有丝分裂间期纺锤体的结构是导致离面作用力和面内作用力差距的主要原因。进一步的，发现高浓度的紫杉醇抑制微管的解聚，无法形成纺锤体的结构，微管不断生长从而对基底产生一个较大的推力，进而引起面内和离面牵引力的显著增大。该工作为研究细胞与外基质之间的力学相互作用提供了一个有力的工具，在生物力学等领域有着广泛的应用场景；同时，该工作为抗癌药物的设计提供了一个全新的视角。

图1牵引力显微镜平台。(a) 牵引力显微镜平台示意图及典型的单层荧光颗粒的三维体积图像；(b) 细胞分裂过程及其引起的三维牵引力，颜色表示离面力，箭头表示面内力。

图2 有丝分裂的细胞产生牵引力的机制。(a) 细胞有丝分裂过程中的牵引力及其力学机理；(b) 紫杉醇处理后的细胞有丝分裂过程中的牵引力及其力学机理。

张青川，中国科学技术大学教授，博士生导师，主持国家自然科学基金重点项目、重大科研仪器研制项目、国际合作与交流项目等项目。多次担任中国力学学会实验力学专委会副主任委员，曾任中国力学学会实验力学期刊常务副主编，现任力学快报编委。曾获教育部自然科学一等奖，中国力学学会自然科学二等奖，安徽省自然科学二等奖等奖项。以通讯作者在国际、国内重要学术刊物上发表SCI论文150余篇，获国家授权发明专利30余项。长期从事光测实验力学，基于力学原理的微纳传感与操控，数字图像相关技术等方向的研究。课题组长期欢迎具有力学、生物、化学、计算机硬件及软件等背景的学生与研究人员的加入。课题组主页：http://photomech.ustc.edu.cn/。

吴尚犬，男，中国科学技术大学近代力学系，副教授。2013年博士毕业于中国科学技术大学固体力学专业。自2010年以来，一直从事基于表面力学原理的微纳生化传感技术和实验力学与生物化学的交叉研究。发表SCI论文30余篇论文。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等纵向项目7项。

曹云霞，安徽医科大学校长，主任医师，二级教授，博士生导师，安徽医科大学妇产科学系主任。国家卫健委配子与生殖道异常研究重点实验室主任。主持包括国家重大科技专项、国家自然基金项目在内的国家级和省级课题40余项。2014中国十大科学进展获得者。研究成果分别在《Cell》、《Nature Genetics》、《American Journal of Human Genetics 》等杂志发表。先后获得省科技进步一等奖2项，二等奖3项，中国妇幼健康科技奖一、二等奖各1项，发表SCI收录论文120余篇。妇幼健康研究会副会长兼生殖医学专委会主任委员，中国医师协会生殖医学专委会副主任委员，中国医师协会遗传学分会副会长。享受国务院特殊津贴，卫生部有突出贡献中青年专家，全国优秀科技工作者。安徽省科协副主席（兼）。

Yongman Liu, Jianye Wang, Yong Su, Xiaohai Xu, Hong Liu, Kainan Mei, Shihai Lan, Shubo Zhang, Xiaoping Wu, Yunxia Cao^*, Qingchuan Zhang^* & Shangquan Wu^*.Quantifying 3D cell-matrix interactions during mitosis and the effect of anticancer drugs on the interactions. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3357-4.