面向药物筛选的单细胞自动化微纳操控与同步检测方法研究

It is a critical requirement to realize high throughput and automatic measurement of cellular physical characteristics of single living cells for drug screening. Aiming at this demand, in this project, we propose to study the technologies for high throughput and automatic micro-manipulation of soft sample cells and the simultaneous measurement of their multiple physical properties, and to establish the relationship between the cellular physical characteristics and the physiological status of living cells, which will be fundamental to evaluate the efficacy and toxicity of a drug on tumor cells. The emphases are laid on: investigating identification of electric properties of living cells and developing high throughput and automatic cell sorting based on ODEP and micro-vison; developing efficient and automatic orderly transportation and layout of living cells with vibrating bubbles ; developing controllable and quantitatively drug delivery to cells by super-micro injection and automatic measurement of cellular mechanical Young’s modulus of cells based on capillarity phenomena; developing AFM-based simultaneous measurement of multiple mechanical properties of living cells. The results of the project will be of great significance for the development of micro-robotics and the improvement of drug discovery, and finally will benefit for the health promotion.

本项目针对新药研发对活细胞物理特征检测提出的高通量、规模化和自动化需求，以肿瘤活体细胞为操控和检测对象，开展非结构化环境中柔性细胞的高通量、自动化的细胞操控和多维物理特征同步检测技术研究，并建立细胞物理特征信息与细胞生物特性的偶联关系，为药物疗效和毒性评估提供理论基础。具体包括：开展基于ODEP和显微视觉的细胞电学特性辨识研究，建立高通量、自动化的活细胞分选方法和技术；开展基于振动气泡的细胞吸附机理，建立高效、批量化的细胞自动化有序输送和排列置放方法；建立基于毛细作用的细胞自动化超微注射和弹性模量检测方法，实现细胞定点定量可控的药物激励和细胞自动化弹性模量测量；建立基于 AFM 的细胞/分子物理特性建模与检测方法，实现对活细胞粘弹性、细胞表面靶点-药物结合力及靶点分子分布以及细胞膜振动的可靠测定和活体单细胞多维信息的实时、同步、自动测量。本项目的开展促进我国微纳机器人技术和医药研发的发展。

本项目针对新药研发对活体细胞物理特征检测提出的高通量、规模化和自动化需求挑战，以多尺度机器人化微纳操控理论与技术为手段，开展了肿瘤活体细胞信息自动检测方法研究。本项目从系统科学角度出发，将多种操控与检测手段相融合，进行细胞相关物理状态特征量的提取，并建立其与生物学特性的偶联关系。为基于活体肿瘤细胞的新药开发和药效预测奠定了技术基础。研究工作和主要进展包括：基于ODEP 的细胞自动化分类筛选和活体细胞物理特性检测方法研究；基于光热微米气泡的产生、操控，及其对微米对象输送、排列、放置和固定等操作研究；液体环境下基于毛细作用的细胞自动化超微注射和细胞弹性模量检测研究；液体环境下基于AFM 的活体细胞物理特征信息检测研究。本项目研究工作的主要贡献体现在以下四个方面：创造性地将ODEP技术与显微视觉相结合，开展了基于介电特征的差异的，细胞电特性辨识方法与实验研究，有效实现了不同种类活体细胞的高通量、自动化分选；首次开展了基于光热表面效应的微米气泡产生与控制方法研究，并利用气泡作为微机器人的执行终端，实现了微米尺度对象在液体非结构环境下的三维操作与装配；在国际上率先将显微视觉作为反馈与标定方法应用于细胞超微注射与机械特性测量，从而实现细胞注射过程中的自动化操作与精确控制；最后通过控制AFM探针对生长于三种不同基底的细胞进行成像及压痕实验分析了基底变化对细胞机械特性(表面粗糙度，杨氏模量，松弛时间，粘附力)的影响，为纳米形貌调控的细胞-基底相互作用提供了新的认识，对于认识调控细胞行为的内在分子机理具有重要意义。