多场耦合动态环境下细胞迁移动力学参数测量方法研究

Cell migration refers to the directional cell movement in response to chemoattractant or physical stimulation. This important physiology phenomenon is of key research significance in a variety of medical applications, such as cancer cell restriction, artificial blood vessel, and wound healing, etc. Because cell migration is regulated by not only chemoattractant, but also the shear stress of flow and temperature, this project aims develop an effective cell migration dynamics measurement method in a multi-field (chemoattractant concentration field, flow field and temperature field) coupling migration environment. Firstly, the multi-field coupling environment is investigated to support the subsequent research. Then the dynamic characteristics of cell migration is studied and a dynamic model based on cell cytoskeleton is built. Design methods of cell migration force sensor and velocity sensor based on holographic optical tweezers system are emphatically investigated, and a manipulation system is built for cell migration dynamics measurement. The proposed cell migration dynamics measurement methods will promote the development of cancer therapy, artificial tissue and organ, and so on.

细胞迁移是细胞的定向自主运动，这一生理学现象在癌细胞转移控制、人工器官制造等医学应用中具有重要的研究意义。本课题面向血管内细胞迁移受多种因素共同调控的复杂情况，着力解决诱导因子浓度场、血流流体场和温度场等多场耦合动态环境下，精确测量细胞迁移动力学参数的难点问题。首先从理论上分析细胞迁移过程的动力学特性，建立其动力学模型；构建基于微流芯片及光镊技术的多场耦合动态细胞迁移环境；其次，基于该环境，重点研究应用全息光镊技术的细胞迁移力和迁移速度传感器，搭建细胞迁移测量平台，实现对细胞迁移动力学参数的准确测量，验证所提出迁移模型及测量方法。该研究将进一步完善细胞迁移动力学机理，为复杂环境下细胞迁移的研究提供有力工具，促进癌症治疗、人工器官制造等相关领域的发展。

细胞迁移是细胞的定向自主运动，这一生理学现象在癌细胞转移控制、人工器官制造等医学应用中具有重要的研究意义。细胞迁移的动力学特性关系到对迁移机理的准确阐释。近年来出现了一些优秀的理论研究；同时，随着微纳机器人等技术的发展，出现了一些有效的实验测量手段。然而目前的研究主要面向静态环境下的趋化性细胞迁移，亟待出现更为精确的多场耦合环境下的细胞力学特性研究。.本项目面向血管内细胞迁移受多种因素共同调控的实际情况，针对浓度场、流体场和温度场耦合作用环境下诱导细胞迁移并测量的难点问题，开展了以下研究，并取得了相应成果：.1、构建了新型细胞迁移动力学模型，并分析了存在细胞间相互作用时的动力学特性。该研究首次阐释了细胞迁移力、迁移速度和浓度梯度之间的关系，填补了研究空白。.2、研究了诱导因子浓度场、流体场和温度场的有效耦合方法，基于微流芯片构建了新型细胞迁移动态环境。基于该环境实现了最大细胞迁移速度170nm/s。该方法不仅能够提供更适于细胞迁移的环境，而且能够有效耦合细胞间相互作用、光镊测量方法等，拓展了研究范围。.3、针对细胞迁移过程中极微小迁移力的测量难点，基于光镊微操作机器人技术，设计了高分辨率迁移力传感器，实现迁移力测量分辨率约22pN，测量精度高，居于世界前列。.4、研究了动态环境下，自动操作细胞的机理，提出了基于势场的远距离运输自动控制算法，为细胞自动化操作、细胞迁移动力学测量等应用奠定了基础；并开发了基于机器视觉准确、实时测量细胞迁移速度的方法，可达到1μm/s的测量精度。.5、基于光镊微操作机器人对细胞迁移进行了一系列动力学测量实验研究，并与细胞迁移动力学模型进行了对比验证，证明了理论模型的正确性，并提取了若干重要参数。.本项目所支持的研究工作能够帮助人们深化理解细胞迁移机理，为细胞迁移的研究提供有力工具，并为治疗癌症、人工制造器官、组织修复等临床应用做出贡献。