细胞凋亡的弹性光散射理论模型及实验研究

Apoptosis study is of great theoretical and applied values in the domain of cell biology. Flow cytometry (FCM) is widely used as a diagnostic tool for apoptosis. However, the application of traditional FCM is limited by expensive instruments, requirements for cell staining and inability to process real-time track. In this project, cells are modeled according to their morphology. The angular distribution and polarization properties of elastic light scattering (ELS) are simulated theoretically. We capture a single cell by microfluidic chip technology, measure the spatial and polarimetry properties at various time points during apoptosis. Parameters of theoretical models will be retrieved and optimized. The relationship between polarized scattering characteristics and cell apoptosis will be investigated. The possibility of discriminating apoptotic cells or evaluating apoptosis extent by polarized ELS will be evaluated. Techniques developed in this project can be used for real-time, label-free tracking of apoptosis, and are promising for diagnosing in living tissues.

细胞凋亡的研究在细胞生物学领域有重要的理论和应用价值。流式细胞仪是目前细胞凋亡检测的主要手段之一，但传统的流式细胞仪存在仪器价格昂贵、细胞需经特异性荧光染料染色等限制因素，且不能进行实时追踪检测。本项目拟建立含亚细胞结构的细胞散射模型，对细胞凋亡过程中的弹性光散射的空间和偏振特征进行数值模拟；通过微流控芯片技术，实现单细胞水平上的细胞凋亡过程中散射场实时跟踪测量，反演和优化理论模型参数；建立偏振光散射特征与细胞凋亡进程的联系，探索通过偏振光散射检测区分凋亡细胞和正常细胞，或评价细胞凋亡程度的新方法。本项目旨在开发一种基于偏振光弹性散射的实时、免标记检测细胞凋亡的新方法，并有望应用于活体组织细胞检测等领域。

细胞凋亡的研究在细胞生物学领域有重要的理论和应用价值。本项目采取理论计算结合实验研究的方法，在单细胞水平上研究细胞凋亡过程中弹性光散射的空间分布变化。理论研究方面，首先建立了以双层高斯随机椭球为基础的生物细胞散射理论计算模型，并根据细胞凋亡过程中的形态学变化，改变细胞模型的参数；采用离散偶极子近似方法，获得了细胞形态变化对近场和远场散射特征的影响。本项目还利用蒙特卡罗方法，对光在复杂结构的生物组织内的传输过程进行了仿真。实验研究方面，利用微流控芯片中微结构和流体对细胞的操纵，设计了微流控芯片，实现了单细胞的捕获和固定；设计了以离轴抛物面反射镜和CCD为主的散射光采集系统，可以在大角度范围内快速测量单细胞散射光的空间分布。本项目还设计了一套可以对粒子束中单个粒子的散射光进行连续、自动测量的广角测量系统和方法。本项目在单细胞水平上研究和测量了弹性光散射的空间分布变化，在医疗诊断、环境监测等领域有潜在的应用价值。