单细胞三维旋转微器件及生物应用研究

Single cell manipulation and analysis is highlighted as the key common technology in Healthy China 2030, playing a great role in life science and medicine. As one basic manipulation, 3D cell rotation is the key to cell 3D imaging and cell enucleation for subsequent animal cloning and sub-cellular sequencing, and thus imperative for biomedical research. However, there is a lack of effective micro-device for on-chip single-cell 3D rotation. This calls for urgent demands on the establishment of the rotation dynamics model based on 3D orthogonal moments, the elaboration of multi-physical-field effects on the stability of rotating cell, and clarification of the effects of rotation on the cell. Therefore, this project aims to study an integrated micro-device, which is based on the multi-physical effects of mechanical, optical, electrical, and fluidic factors. Combining bioMEMS technology and optofluidics in one platform, this micro-device is capable of precise 3D cell rotation. Furthermore, the experimental protocols for cell electrical properties and -omics analysis will be established to investigate the time-domain effects of rotation on cells. Through 3D cell imaging and cell enucleation for cloning and sub-cellular sequencing, the outstanding performance of the micro-device will be demonstrated. The success of this project will offer a powerful tool for single cell manipulation and analysis, driving research in diseases and health forward to single-cell and sub-cell level.

单细胞分析是《健康中国2030》规划中蕴含的前沿共性技术，对疾病和健康研究意义重大。三维旋转作为单细胞分析中的基本操控动作，是细胞立体成像分析和细胞除核后进行动物克隆与亚细胞级测序的关键，在生物医学领域必不可少。用微器件实现三维旋转具有优势，但缺乏有效的方法和手段。因此，本项目研究一种基于光机电液等多物理场效应融合的微机电器件，建立基于三维正交转矩的细胞旋转动力学模型，阐明微尺度下多物理场稳定操控细胞的机理，结合生物MEMS技术和光流控技术，实现精密的单细胞三维旋转操控。通过建立单细胞电学特性和组学特性分析方法，探索研究旋转对细胞特性的时域效应，揭示旋转操控对细胞的影响。通过微器件在细胞立体成像和细胞除核中的应用，展示三维旋转微器件在动物克隆和亚细胞级测序方面的优良性能。本项目的成功，将在单细胞操控手段和分析方法上取得重要突破，推动疾病和健康研究向单细胞级和亚细胞级纵深发展。

单细胞分析是《健康中国2030》规划中蕴含的前沿共性技术，对疾病和健康研究意义重大。三维旋转作为单细胞分析中的基本操控动作，是细胞立体成像分析和细胞除核后进行动物克隆与亚细胞级测序的关键，在生物医学领域必不可少。用微器件实现三维旋转是一种崭新的思路，但在此之前还缺乏有效的方法和手段。本项目结合MEMS技术和光流控技术，研究基于光机电液声等多物理场融合的集成微机电器件。具体的研究内容包括：（1）单细胞精密三维旋转的基础研究。该研究目的是构建单细胞三维旋转和稳定操控的理论体系、微器件和方法。主要围绕电旋转、光旋转、声旋转进行。（2）三维旋转对细胞特性的效应研究。该研究目的是初步揭示旋转时长和速度对细胞的活性和组学特性上的影响。（3）三维旋转在生命科学上的应用研究。该研究目的是展示研究的三维旋转微器件在单细胞操作分析上的新颖应用和特殊价值。主要围绕单细胞生物物理特性分析和三维成像进行。取得的重要结果包括：（1）构建了系列基于电、光、声场旋转细胞的模型和微芯片，如基于厚电极的单细胞三维电旋转芯片-单细胞浑天仪、厚电极集成双光纤拉伸器的单细胞捕获伸缩旋转一体化芯片、双光纤错位配置法单细胞多模态操控芯片、声流场阵列单细胞旋本芯片。（2）发现声旋转场对细胞活性和基因序列及表达的影响几乎没有，对某些细胞还可能具有正面影响，如当声场频率在2 kHz附近时，人精子细胞的活性与对照组比较，没有任何降低，甚至还有一些增长。（3）提出了系列利用片上旋转拉伸变形等多模态操控进行单细胞的机电特性分析和3维CT成像的崭新方法，并构建了众多片上单细胞操控分析模块，为芯片集成应用奠定了良好的基础。项目在单细胞操控手段和分析方法上取得了很多重要进展，将推动疾病和健康研究向单细胞级和亚细胞级纵深发展。