纳米操作机器人同步触发机械门控离子通道

机械门控离子通道与许多疾病密切相关，是一种重要的药物靶点，研究其功能角色具有重要的生物学意义。然而由于缺乏在纳米尺度下对其进行定点、定量、可重复超微机械刺激的手段，使得机械刺激与电生理信号间的定量作用关系研究尚无法很好开展，制约着机械门控离子通道相关蛋白功能角色的深入理解。本项目综合采用机器人和电生理技术，通过研究新的基于路标的探针精确定位方法、以及基于无穷维的力-位置混合控制理论，实现机械门控离子通道的可控同步触发。并在此基础上，开展系统集成技术研究，构建纳米操作机器人/膜片钳一体化系统，利用其所特有的超微机械刺激与电生理信号同步施加和检测功能，对机械门控离子通道开展定量化、系统化研究，为揭示机械刺激与蛋白功能角色相互作用关系奠定基础。该研究不但对提高我国纳米操作机器人的研究水平具有重要意义，同时还将进一步提升我国在学科交叉前沿领域的原始创新能力，并对振兴我国的医药产业产生积极的影响。

该课题针对作为药物靶点的机械门控离子通道在疾病中扮演何种功能角色的问题展开研究。其核心思想是采用机器人和电生理技术，通过研究新的基于路标的探针精确定位方法、以及基于无穷维的力-位置混合控制理论，实现机械门控离子通道的可控同步触发；并在此基础上，构建纳米操作机器人/膜片钳一体化系统，利用其所特有的超微机械刺激与电生理信号同步施加和检测功能，对机械门控离子通道开展定量化、系统化研究，最终揭示机械刺激与蛋白功能角色相互作用关系。围绕核心科学问题和研究内容，项目组开展了深入和卓有成效的研究，项目执行期内，发表学术论文45篇（SCI：25，EI：13），1篇会议论文获得IEEE-NEMS Chiming-Ho最佳论文提名奖，1篇会议论文获得3M-Nano 国际会议最佳学生论文奖。鉴于研究成果的创新性和影响力，项目负责人应邀在IROS 2015(机器人领域顶级会议)做大会主题报告一次。项目负责人因在纳米操作机器人及生物医学应用方面的创新性研究，获得了获得中组部“万人计划”青年拔尖人才称号和国家自然科学基金优秀青年基金。具体研究进展包括：①开展了基于路标的探针精确定位研究，实现了探针位置精确定位，创新性地解决了路标观测与探针扫描运动的耦合相关性难题；②完成了纳米操作机器人系统和平面膜片钳系统一体化集成，实现了纳米观测、纳米操作、样品表面机械特性检测、对细胞的封接、离子电流检测等功能；③针对Neuro-2A细胞开展了机械门控离子通道检测研究，通过纳米操作机器人-膜片钳一体化系统进行定量的刺激和检测，深入研究了机械力与细胞触发电流直接的关系，建立了特定机械刺激、特定离子与细胞触发电流之间的偶联关系，为细胞机械门控离子通道的相关疾病的病理研究和新药的研发奠定了重要的理论和实验基础。