基于微流控芯片的高通量细胞动态信号分析新方法研究

The responses of cells to extracellular complex microenvironment is highly dynamic in time and space. How to reconstruct this process and analyze intracellular or intracellular signal transduction has been a major challenge in biophysical methods. In this project, by combining innovative microchannel design with external precision control, we propose novel high throughput microfluidic approachs for probing cellular dynamic signaling with high throughput and high temporal (millisecond) and spatial (single cell scale) resolution: a multichannel hydrodynamic gating for stimulating adherent cells and a high-throughput single cells dynamical trapping and releasing for suspension cells research, which can overcome the problem of traditional methods, especially the drawbacks in lack of precision for spatial and temporal control of chemical stimuli. In combination with optical molecular imaging, we further investigate the relationship between the dynamic responses of calcium signal and dynamic changes of GPCRs conformation. This project exhibits important scientific value in revealing the mechanism of signal transduction, and provides a theoretical basis and an innovative technological platform for drug screening.

细胞对胞外复杂微环境的响应在时间和空间上是高度动态的，如何重建这一过程并分析细胞内或细胞间的信号传递，一直是生物物理方法学上重大挑战，对于在细胞水平深度理解生命的调控机制具有重要科学意义。本项目提出基于微流控芯片的细胞动态信号分析新方法研究：借助创新微通道结构设计以及精密外部控制方式，提出针对贴壁细胞高通量多通道同步门控细胞刺激外环境操纵方法以及针对悬浮细胞的高通量循环单细胞捕获刺激释放方法。该方法具有高通量、高时间（毫秒）和空间（单细胞尺度）分辨等特点，克服了传统芯片方法溶液操纵能力弱、时空分辨率低、通量低等缺点。采用上述新技术，重点探讨G蛋白偶联受体构像动态变化、下游钙信号动态响应以及两者之间联系。本项目对生物物理、细胞信号转导和药理学等基础研究以及个体化医疗等应用领域具有重要意义，并促进生物物理学及相关交叉学科的发展与人才培养。

细胞在体内处于复杂的胞外微环境，比如众多生化因子，在空间分布上存在浓度梯度，且在时间上动态变化。因此，高保真且高通量在体外重建和模拟这种动态微环境，对于阐明生物系统的复杂性以及揭示细胞信号网络的动态机制和功能具有关键的科学意义。按照项目计划书的目标和计划，执行过程中完成了项目计划书中所列目标。首先，针对单细胞瞬时给药刺激，发展了一种新颖的气阀阱芯片，成功实现监测悬浮细胞内钙信号对药物刺激的响应；其次，建立了一种基于鞘流水力门控细胞传感器方法，高通量探讨了单细胞内动态钙响应；再次，提出了一种单细胞循环捕获刺激策略，实现了高通量单细胞组学研究；最后，探讨了一种同步多水力门控联合浓度梯度发生器的新方法，成功实现了一系列不同振幅（浓度梯度）和不同频率（不同的刺激时间和缓冲时间）的化学波形诱导下单个贴壁细胞内钙信号响应。围绕该项目共发表SCI收录论文24篇，其中第一作者或通讯作者论文6篇，申请4项中国发明专利，并参与培养3名研究生。