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生物分子间相互作用是生命过程进行的基本语言，了解分子间的相互作用对于阐明生命过程及疾病发病机制，药物作用机制等具有重要作用。本论文发展了适合于活细胞体系测量的原子力显微镜单分子力谱法，应用于研究细胞转化生长因子和表皮生长因子信号转导相关分子间的相互作用。主要工作如下：
首先，选择两种常用于在AFM针尖或基底修饰固定生物分子的方法，分别用AFM对修饰得到的蛋白质样品进行成像和测力，并比较不同基底修饰方法对蛋白质固定和测定单对分子间相互作用的影响。发现尽管不同修饰方法对得到的蛋白质在成像质量上有区别，但并不影响单分子力的测定。通过比较，选取合适的AFM基底的修饰方法，为进一步测定生物分子对间的相互作用打下良好的实验基础。
利用单分子力谱法，作者研究了转化生长因子TGF-β信号通路中的Smad蛋白，与包含Smad最小结合核心序列(SBE)的两个DNA元件(ARE和PAl-1)间的相互作用。发现抑制型Smad蛋白，Smad7，同其他Smad蛋白(如Smad4)-样，可特异性地与含有SBE的寡聚核苷酸结合，但不同的是，Smad4与DNA结合区域为N端的MH1区域，而Smad7的结合区域为C端MH2结构域，而非N-端结构区域，并且N-端结构域的存在对Smad7 MH2结构域与DNA元件的结合有抑制作用。另外，Smad7还可与核心区域突变的DNA元件作用，虽然结合力有所减弱，但它并不与随机序列结合，说明Smad7与DNA元件结合的特异性不同于其他Smad蛋白。这一研究对于进一步深入了解TGF-p信号通路中Smad7蛋白抑制信号的新机制提供了重要信息。
在上述工作的基础上，作者将单分子力谱法发展到直接在活细胞上进行测定。通过与荧光显微镜联用，测定了表皮生长因子ErbB信号通路中配体HRG与其受体间的相互作用。首先，分别在表达和没有表达受体HER2的细胞上测定HRG与受体HER3的相互作用力，结果表明，HER2的介入增强了配受体间的相互作用力。如果加入临床使用的抗癌药物Herceptin，明显抑制了HER2的增强作用，使配体HRG与受体作用力降低到与没有表达HER2时HRG-HER3的作用力类似。作者进一步进行细胞上的动力学力谱测定，结果发现，没有表达HER2时，HRG与HER3形成的复合物解离只需跨越一个能垒到达解离状态；而HER2共表达在膜表面时，形成的复合物HRG-HER3/HER2则需跨越两个能垒，经过一个中间态到达解离状态；当在溶液中加入药物Herceptin后，HRG-HER3/HER2复合物的动力学力谱变成与HRG-HER3的力谱相似，进一步证明了Herceptin抑制了HRG配受体复合物的相互作用。
用类似的方法，作者在两种细胞上测定了ErbB信号通路EGF和其受体EGFR的相互作用力，比较了用Mβ环糊精去除胆固醇前后，配体EGF与受体EGFR相互作用力的变化。结果表明，虽然受体EGFR存在于富含胆固醇的脂筏微区，但去除胆固醇后，微区环境的改变并没有对配受体问的作用力大小产生影响。单分子力谱和动力学力谱活细胞水平对ErbB配受体相互作用及药物抑制作用的研究，为深入研究ErbB信号通路的分子机制及其相关抗癌药物作用机制提供了新的方法。
此外，作者还建立了活细胞水平AFM弹性模量的测量、计算和统计方法。由于易产生形变，活细胞类软样品的模量测定较为复杂。作者首先确立了弹性模量的计算方法，编写了相应的统计软件。随后通过对细胞模量的测量研究了四类细胞在不同刚度基底上的力学性质：心肌细胞，成纤维细胞，Hela细胞，软骨细胞，并初步探索了其F-肌动蛋白的分布与细胞弹性模量的关系。四种不同类型细胞在同一刚度基底显示出不同的刚度，同时随着基底刚度的变化，不同的细胞有不同的刚度变化响应。这一结果提示，细胞刚度(张力)在影响不同类型细胞的不同力学响应机制中是一个重要因素。