一种基于视觉传感的新型细胞生物力学测量系统研究

The study of cell mechanics is important for both fundamental research in cell biology and cell based clinical applications and is gaining more and more attentions. Currently the experiments for cell mechanics measurement are mostly conducted manually and the statistic analysis of the cell mechanics merely includes other cell properties. The purpose of the project is to develop a technique to measurement the cell mechanics for cell cytoskeletons. To solve the above mentioned issues, a novel technique is proposed to measure force and displacement in micro/nanoscale with assistance of the vision sensing technique. With the proposed method, the large load can be preciously applied to the target cells, which allows for the measurement of cell mechanics for the entire cytoskeletons. Moreover, a two beam method will be developed to measure and then balance the mechanical drift commonly existed in the measurement system in real time. Additionally, new algorithm will be developed to achieve accurate cell segmentation in cell optical images for the purpose of cell boundary detection and localization. With the above designs, a one-of-the-kind instrument equipped with novel algorithms and software will be developed to perform automatic measurement of cell mechanics. Researches will be conducted on human breast cancer cells of MCF 10A, MCF 7, and MDA-MB-231 to explore the characterization of cell mechanics with multiple cytomorphology parameters.

细胞生物力学性质研究是细胞生物学研究中的热点内容，对生物学基础研究以及临床医学应用均有重要意义。目前细胞生物力学性质测量技术中存在自动化程度低、细胞生物力学性质表征形式单一等问题。本课题以细胞骨架生物力学性质测量为目标，拟建立一种基于视觉传感的微纳力和位移测量技术，实现在较大载荷下细胞力学性质的高精度测量；同时，采用双微悬臂法，实时测量探针夹持器与样品表面之间的漂移并对其进行补偿，解决测量设备中普遍存在的机械漂移问题。此外，为实现自动测量，开发基于计算机图像处理的细胞显微图像分割技术，实现细胞轮廓的提取和定位。在以上工作基础上，建立一种新型的细胞生物力学性质自动测量系统并以人体乳腺癌细胞MCF 10A、MCF7、和MDA-MB-231为研究对象，探索融合细胞形态学的细胞生物力学性质的多参数表征方法。

细胞生物力学性质研究是细胞生物学研究中的热点内容，对生物学基础研究以及临床医学应用均有重要意义。根据目前现有的测量技术以及临床医学和药物研制等方面的发展需要，细胞生物力学测量技术存在的缺点有，自动化程度低，批量数据采集费时费力，长时间和大载荷测量的误差较大，测量技术本身引入对细胞有害的因素，细胞生物力学性质测量结果的表征形式单一、片面。本课题采用了视觉传感技术进行微纳米尺度力和位移测量，并对测量系统的机械漂移进行实时测量和补偿，同时采用显微图像分割技术对细胞进行轮廓提取及定位。由此建立了细胞生物力学性质自动测量系统，实现高精度、自动化的细胞机械性质测量。其中主要的研究内容有：高精度和低漂移的力和位移测量系统设计研究，基于图像处理的细胞分割和细胞定位研究，细胞机械性质的多参数表征。本课题组针对上述内容展开了研究，获得了一系列的研究成果。首先提出了基于视觉传感的显微镜下微球三维空间位置测量方案，利用该方法建立了基于CMOS高速相机的视觉测量、控制系统，使测量精度达到了纳米级。完成了三维精密定位平台的设计，在100um的行程范围内可实现10nm的定位精度。将阈值分割法和主动轮廓法相结合，建立了一种新的细胞图像分割技术，获得了约97%准确率。综合以上成果，开展了细胞机械性质耦合研究。以本课题研究成果为依托，共发表SCI文章8篇，期刊包括ACS Nano(影响因子13.334)，Scientific Reports(影响因子5.578)，Applied Physics Letters（影响因子3.142）及Plos One(影响因子3.534)。申请国家发明专利3项。细胞生物机械性质测量是研究细胞生物性质的重要手段，本课题在细胞分割，细胞跟踪，细胞力学性质测量技术等方面开展了研究，对癌症细胞的研究以及抗癌药物的研制等均具有重要的意义。