Bessel光镊操控活体动物亚毫米深度血管内细胞的研究

Optical tweezers can trap and manipulate biological cells non-invasively with in living animal. Furthermore, optical tweezers also can measure the micro-force quantitatively in vivo, which will greatly accelerated the studies of in vivo biological activities. However, now optical trapping in vivo only can trap the cells at the trapping depth about 50μm, which limit the appilcation of in vivo optical tweezers seriously because lots of biological phenomenon are occurred at the depth of about 100μm. Therefore, the stringent requirement now is to explore an appropriate optical trap to go deeper into the tissue in vivo. This application is aimed to increase the trapping depth in vivo to about 100μm and develop the related optical manipulation technology in vivo. Bessel light beam that can self-reconstruct their initial beam profile even in the presence of massive phase perturbations are able to propagate deeper into inhomogeneous media. This ability has crucial potential advantages for optical trapping in thick media, such as cell clusters or skin, as well as scattering synthetic materials. We will develop the technique for optical manipulation of biological cells in vivo using Bessel light beam which will increase the optical trapping depth to about 100μm . The research contents include production of Bessel light beam, the interaction between Bessel light beam and biological tissues for increasing trapping efficiency in vivo, and trapping cells at deeper trapping depth. The actualization of this application will enhance the application of optical tweezers in studying life science in vivo, e.g., cell migration, cell sorting and targeted drug delivery.

光镊技术可以直接深入到活体内对细胞进行操控和定量测量,开创了人们对活体内细胞进行直接接触，无损，实时定量控制，极大的推动动物体内细胞生物学活动的研究。然而光镊操控活体内细胞的研究刚刚开始，发展成为可临床使用的技术还待进行不懈的努力。目前光镊在体内只能捕获深度约为50μm位置的细胞，而大量的生命活动现象发生在表皮层之下100μm，因此，我们首先面临的是如何克服活体内深度操控的技术瓶颈。本课题以研究增加光镊在活体动物内的细胞操控深度为目标，发展活体内细胞的光学操控技术。利用Bessel光束的非衍射原理和自修复特性增加活体内细胞操控的深度。研究Bessel光镊及其建立满足活体100μm深度捕获的技术平台。实现活体内亚毫米深度血管中细胞的捕获。研究光镊捕获效率受动物体内生物环境的影响及其激光功率对生物组织的损伤。探索光学捕获技术在动物活体临床研究和诊断中的应用。

本项目围绕突破动物活体内100μm深度的血管内细胞操控的技术瓶颈，提出通过利用研究新型光场实现深度组织内的有效光阱形成。基于这创新思想取得了系列研究成果，有力推进光镊技术研究活体细胞方向的研究进展。. 系统研究了DMD的复杂波前调制技术，开发了多种光场复振幅调制编码方法，实现了振幅、位相、偏振态等光场性质的灵活调控和光场多个自由度的同时调控，实验研究了多种新型结构光场。其中有一类具有自修复和非衍射特性的结构光场，这类光场可以抑制组织的散射特性，将这类结构光场与光镊技术相结合，开发了新型光学操控方式和功能，取得系列创新性成果。. 研究Bessel光束在生物组织中的传输性质，建立Bessel光镊，实现在活体内细胞的捕获技术。利用新型光场的优越特性，克服了传统操控技术的一些瓶颈，进一步发展了活体内细胞的光学操控技术。我们实现了在斑马鱼体内150μm深度的血管内操控血细胞，并且有效减小了活体内操控时光阱对于捕获细胞的热损伤，研究用高斯光镊通过修正相差的方法也获得了活体内100μm深度的血管内细胞的操控，该成果的意义在于设备简单方便推广。.在生物化学医学交叉应用方面，我们开发利用光镊捕获单个细胞和PN力探针的特点，定量测量了每对桥连细胞的断裂力，得到“细胞受力-时间”曲线以及CBT-Cys桥连细胞对的特征断裂力为153.8pN，证明了细胞间存在桥连并说明桥连的结构特性。这一方法可以推广应用于测量其他的共价键在低加载力速度下的断裂力。.实现了磁性微粒的操控和多通道微粒光学输运等新型捕获形式，并探索用于杀伤癌细胞的实验研究。选择幼体斑马鱼为活体研究对象，进行活体内的细胞操控研究，建立了适合光镊技术的斑马鱼样品制备实验流程。. 针对活体内细胞运动速度的特点，研究适合活体样品的快速刚度测量方法、使用正弦波流体力学法原位标定法，压电平台纳米量级的矫正等方法，解决了光镊系统面对活体动物样品出现的新的技术难题。. 在本项目的资助下，人才培养方面也取得很好的成绩，实验室三个博士成功完成学位；利用项目经费支持我们还撰写了《光镊技术》这本书，为光镊技术的发展及应用贡献力量。在本项目取得的研究成果基础上，活体操控的研究方向的延伸发展获得国家自然科学基金重点项目的进一步支持。