Sci Adv：东南大学顾忠泽团队通过单帧反射图像读出上皮力学状态，2小时检出病毒感染远超传统48小时

极化上皮整合屏障密封、矢量离子-水运输和细胞骨架力学，然而报告这种偶联功能状态的实时可扩展检测仍然有限。

2026年8月14日，东南大学顾忠泽独立通讯在Science Advances 在线发表题为“Photonic-crystal hydraulic manometry quantifies epithelial basal compression for rapid, label-free functional screening”的研究论文。该研究引入光子晶体水力测压法（PCHM），其从标准培养格式中的单帧反射图像定量面外机械状态。使用PCHM，作者发现上皮单层在细胞-基质界面处维持千帕尺度的基底压缩（~3千帕）。跨越离子运输和肌动球蛋白收缩性的系统性扰动面板定义了读数的灵敏度、动态范围和可逆性，将基底压缩确立为上皮生理学的一个可操作状态变量。

利用这种以生理学为基准的指标，作者在2小时内检测到柯萨奇病毒早期感染作为基底压缩的崩溃，远在细胞病变效应变得明显之前（48小时）。在SARS-CoV-2假病毒中和测定中，PCHM提供了2小时的读数，该读数与匹配的48小时荧光素酶结果一致。在病毒滴定测定中，相同的2小时PCHM读数将可检测的低输入范围相对于匹配的48小时荧光素酶终点扩展了大约一个数量级。总之，PCHM将上皮运输和力学与一个可扩展的、无染色的检测框架相连接，用于上皮病理生理学和治疗筛选。

极化上皮单层形成身体与外部环境之间的主要界面，协调屏障密封与矢量离子-水运输以维持组织稳态。在感染、炎症、毒性和运输相关遗传性疾病中，上皮功能障碍常始于功能失衡——运输能力改变、能量应激或屏障减弱——在明显的形态损伤变得明显之前。这为生物医学工程创造了一个实际瓶颈：许多标准读数基于终点、依赖于标记或难以扩展，限制了在多孔和微生理环境中的快速表型筛选、质量控制和机制探究。

上皮生理学中一个特别缺乏仪器的维度在于基底界面，其中运输驱动的液体处理在机械上与细胞-基质相互作用偶联。虽然上皮力学生物学在很大程度上强调了面内牵引和张力，但面外界面法向应力的可扩展测量仍然有限。牵引力显微术主要对面内剪切牵引力敏感，而基于压痕的方法（例如原子力显微镜）是接触式的且通量低，使得动态扰动下的连续宽场映射变得困难。因此，一种与离子-水运输紧密偶联的基底力学状态在标准实验格式中常常不可及。

图1. 基于平板、无标签功能筛选的PCHM原理和工作流程（摘自Science Advances）

为弥合这一空白，作者提出了光子晶体水力测压法（PCHM），一种无标记且与多孔兼容的策略，用于上皮界面法向应力的长期连续读数。PCHM使用校准的水合光子晶体水凝胶作为柔性机械-光学换能器。反射图像被转换为波长位移图，并通过光学校准和机械表征进一步转化为上皮-基质变形和压力等效界面法向应力场。额外的光子晶体基底（PCS）表征确认了基底的光学和机械稳定性、胶原涂层空间均匀性和稳定性以及良好的批次间可重复性。在实践中，单帧反射成像实现了无外源标记的长期连续追踪，使PCHM能够解析上皮从初始粘附到运输偶联的“基底压缩”稳态及其在扰动时的功能崩溃的机械生命周期。

该工作流程专为多孔格式的功能筛选而设计。单层首先培养至建立机械稳定的基线；然后施加扰动，同时连续记录PCHM。图像序列被转换为基底压缩图和孔级汇总，产生两个耦合输出：（i）保留片层范围异质性的空间应力图和（ii）时间分辨轨迹Δstress(t)，支持跨条件的定量比较。未经处理的、压缩建立的单层在本文使用的成像窗口上表现出稳定的基线，使每个孔能够作为自身内部参考用于孔内归一化、噪声/漂移估计和检测统计。除了显微应力图外，PCS结构色还提供了状态变化的宏观全孔线索，可见为颜色偏移，为基于平板快速决策提供了双尺度读数。

使用PCHM，作者显示运输胜任的单层建立了约3 kPa的稳态运输偶联基底压缩，并且该力学背景在运输阻断或细胞骨架扰动时迅速崩溃。然后作者通过跨越离子运输和肌动球蛋白收缩性的系统性扰动面板，将基底压缩作为一种可操作的物理读数进行处理，对其灵敏度、动态范围、可逆性和操作边界进行基准测试——为标准化测量和基于平板的功能筛选提供了基础。最后，作为一项严格的生物学验证，作者将这种以生理学为基准的指标转化到病毒学检测中。病毒进入在2小时内产生了可测量的基底压缩崩溃，远早于明场（BF）成像中可见的细胞病变效应（CPEs）（48小时）。在SARS-CoV-2假病毒系统中，PCHM实现了小时尺度的中和谱分析，相对于匹配的48小时荧光素酶读数，具有改进的低输入功能灵敏度。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg7095