2024年6月4日，武汉大学（高等研究院/泰康生命医学中心/生命科学学院细胞稳态湖北省重点实验室）刘郑与张兴华联合团队在Cell杂志在线发表了题为DNA-based ForceChrono Probes for Deciphering Single-Molecule Force Dynamics in Living Cells的研究论文。
在这项研究中，作者提出了一种力-时荧光探针（ForceChrono Probe）。这种探针采用了一对DNA发夹结构，通过精心构造，使其可以分层响应膜蛋白上传递的pN级别机械力的动态。每个发夹都配备了一种独特的荧光分子标签：低阈值发夹（F1）绑定了发绿色荧光的Cy3B染料，高阈值发夹（F2）带有发红光的Atto647N染料。两个发夹之间放置了荧光猝灭基团BHQ2，并通过固定在一个3.5纳米的金纳米粒子上，利用金表面的共振能量转移提供额外的荧光猝灭效果，从而增强光学灵敏度和稳定性。在无力作用时，荧光保持“关闭”状态，当细胞施加力量时，双发夹系统会依次展开，首先是F1，然后是F2。这种展开过程会导致荧光依次恢复，通过测量两个发夹展开之间的时间间隔（Δt1）以及第一个发夹打开后的持续时间（Δt2），研究人员可以精确测定力的持续时间和计算平均加载速率。研究发现，在多种细胞系中，单个整合素施加力的持续时间从几十秒到最大100秒，而加载速度则分布在一个非常窄的区间，约在0.5至2 pN/s范围，这些力学时间参数与粘附斑的成熟度密切相关。
研究团队在单分子水平上精确分析了整合素的力学行为，极大地提高了对整合素力大小、持续时间及加载率之间复杂关系的理解。利用该技术，研究者将粘附斑中整合素分为施加低力和高力的两类，揭示了力的“闪烁”事件频率和持续时间的差异，显示出在不同力阈值下整合素-配体键的稳定性变化。实验还探究了整合素加载速率如何受力学区间影响，发现不同类型细胞中加载过程表现出非线性特征，肌动蛋白结合蛋白如filamin A和α-actinin-4的缺失分别影响不同力范围内的加载速率。
特别地，通过使用缺失vinculin的小鼠胚胎成纤维细胞系（Vcl KO MEF），研究揭示了vinculin对于维持整合素-ECM粘附稳定性的重要性。Vcl KO细胞中观察到的整合素力的快速波动和短暂持续时间表明，vinculin是整合素介导的力传递过程中不可或缺的稳定因素。进一步的实验通过引入具有特定功能失活的vinculin突变体，加深了对vinculin在调节细胞机械响应中角色的理解，尤其是它在调节整合素与肌动蛋白骨架之间连接的稳定性方面的作用。
综上所述，作者开发一种新型单分子力学成像技术，可在多维度上表活细胞上单个膜蛋白传递的机械力特征，包括力的持续时间、加载率以及力学强度。通过分析蛋白质突变或药物干预如何影响这些力学时间参数，从而可以判断出特定蛋白质或蛋白质结构域在错综复杂的细胞机械传导过程中的功能作用，这为在分子水平上阐明细胞机械传感与下游信号级联反应（包括免疫识别、干细胞分化和肿瘤转移）之间的联系提供了独特的工具。
