可调制超声场诱发细胞生物效应的基础研究

Due to properties such as safe, low cost, portable and fast imaging, ultrasound has been widely applied in various clinical fields involving almost every organ. Recently, it has been further demonstrated that ultrasound has played most important roles in biomedical engineering including drug delivery and therapy, cell manipulation and neuro-modulation, etc. Biomedical ultrasound is changing from imaging into a multi-functional tool with both precise diagnosis and treatment. It is very important and fundamental for the novel biomedical ultrasound techniques to understand the physical mechanism and bio-effects of interaction between ultrasound and cells. However, there have not yet been efficient acoustic field modulation methods for cells in an acoustic field. In this study, it will aim to explore the mechanism and methods of tunable acoustic field induced bio-effects. Therefore, we will design novel acoustic artificial structures for cell experiments, obtain adjustable localized strong field, highly spatiotemporal strong field, and then realize modulation of acoustic field both in macro-scale and micro-scale. Furthermore, we will investigate impacts of ultrasonic wave effect, mechanical effect and thermal effect on the cell ion channels of neurocyte, sonoporation, blood-brain barrier disruption, morphology and structure, etc. This study will give a clear understanding of ultrasound-induced cell bio-effects and their mechanisms, provide the novel knowledge and techniques of multi-functional biomedical ultrasound, and will be important in acoustics science and biomedical applications.

近年来的研究发现超声在药物输送与治疗、细胞操控和神经刺激等生物医学方面展示出重大潜能，医学超声正逐步从单一成像诊断向超声给药、调控、治疗等多功能应用方向发展。理解超声与细胞相互作用的物理和生物效应是发展这些新型超声技术的根本基础，但是由于缺乏针对细胞水平研究的有效调控声场等手段，此类研究还面临重要瓶颈。基于前期研究基础，本项目将开展超声场可控诱发细胞生物效应的方法和机制研究，拟设计发展可用于细胞实验的新型声人工结构，获得可调控局域强场、渐变声场，实现对细胞所在微观和宏观声场环境定量可调控，以研究超声作用下细胞的离子通道功能、声孔效应、血脑屏障开启、形态及结构等变化，特别是研究超声的力学效应和热效应等在其中发挥的作用。本研究将为深入理解超声场诱导细胞的生物学效应及其作用机理，以及多功能医学超声技术的发展提供新知识和新技术，具有重要声学科学意义和生物医学应用价值。

近年来的研究发现超声在药物输送与治疗、细胞操控和神经刺激等生物医学方面展示出重大潜能，医学超声正逐步从单一成像诊断向超声给药、调控、治疗等多功能应用方向发展。理解超声与细胞相互作用的物理和生物效应是发展这些新型超声技术的根本基础，但是由于缺乏针对细胞水平研究的有效调控声场等手段，此类研究还面临重要瓶颈。本项目围绕微尺度声场环境的精细调控和声致细胞生物效应的机制与定量检测两个关键科学问题，开展了可调制超声场诱发细胞生物效应的精细研究：1）设计发展了可用于细胞实验的新型声人工结构和声表面波局域场，获得了多种可调控超声场，实现对细胞周围声场环境的精细调控。2）在此基础上，理论和实验上，系统研究了可调控声场的声辐射力效应和声流效应，揭示了细胞等颗粒在可调控超声场中的声泳机制，实现了声辐射力和声流剪切力的精细定量调控。3）设计制备了基于新型声人工结构和声表面波的声-微流体器件，开展了可调控超声场对细胞的生物效应研究，实现了大量细胞的可定量调控声孔效应和给药研究；利用自主研发的新型超声神经刺激芯片，建立了兼容膜片钳记录的实验系统，实验研究了超声力学效应对细胞特定离子通道开闭和放电的影响，揭示了超声神经调控的机制。本研究将为深入理解超声场诱导细胞的生物学效应及其作用机理，以及多功能医学超声技术的发展提供新知识和新技术，具有重要声学科学意义和生物医学应用价值。