基于纳米操作的活体细胞多元信息主动激发与同步检测系统

The microscopic detection and characterization methods of physiological information, as biomarkers reflecting physiological states of living cell by using micro/nano-technology at cellular level, have been becoming a cutting-edge research field that promotes life sciences and pharmaceutical industry and brings new economic development driven by new technologies. However there exist no such instruments to synchronously detect multiple physiological information from single living cell, and this makes it impossible to carry out the study of fundamental scientific questions within the field of life science, including transmembrane signal transduction, mechanically-gated ion channel, and testing of new drug. Hence, by merging automatic patch-clamp technology and robotic techniques of probing manipulation, the project is to develop an active excitation and synchronous detection system (AESDS) of multiple physiological information of living cells for cutting-edge research in the field of biomedical science, that can implement the tasks such as high-resolution characterization, ion channel detection, nano-manipulation, detection of physical properties (mechanical and electrical characteristics), and molecular recognition of living cells. Such instruments will provide technical supports for the study of transmembrane signal transduction, mechanically-gated ion channel and biological feature detection of cells, and testing of new drug within the field of life sciences.

利用微纳米技术，在细胞水平提取反映活体细胞生理状态的生物标志(Biomarkers)信息的微观检测与表征手段正在成为推动生命科学和医药产业、带动新技术经济发展的前沿研究领域。目前尚没有满足单细胞多元生理信息同步检测的多功能仪器装备，使得如跨膜信号转导、机械门控离子通道、新药靶标测试等生命科学领域内重要基础科学问题的研究无法开展。针对上述问题，本项目以发展面向生物医学前沿领域研究的科学仪器装备为导向，将自动膜片钳技术和机器人化探针观测操控技术相结合，旨在研制一种具有活体细胞高分辨率表征、离子通道检测、纳米操作、活体细胞物理量（机械特性、电特性）检测、分子识别等功能的活体细胞多元生理信息主动激发与同步检测系统，为开展生命科学领域中跨膜信号转导、机械门控离子通道、细胞生物特征检测、分子识别与靶标测试等重要科学实验研究提供系统技术支撑和科研条件。

利用微纳米技术，在细胞水平提取反映活体细胞生理状态的生物标志(Biomarkers)信息的微观检测与表征手段正在成为推动生命科学和医药产业、带动新技术经济发展的前沿研究领域。目前尚没有满足单细胞多元生理信息同步检测的多功能仪器装备，使得如跨膜信号转导、机械门控离子通道、新药靶标测试等生命科学领域内重要基础科学问题的研究无法开展。针对上述问题，本项目以发展面向生物医学前沿领域研究的科学仪器装备为导向，将自动膜片钳技术和机器人化探针观测操控技术相结合，研制并实现了一种具有活体细胞高分辨率表征、离子通道检测、纳米操作、活体细胞物理量（机械特性、电特性）检测、分子识别等功能的活体细胞多元生理信息主动激发与同步检测系统。项目研究工作进展和成果主要包括: 设计、加工、装配了机械结构; 设计、制作了电控系统; 开发了相应的人机交互界面及操作软件; 开发和建立了面向纳米观测的高速扫描探针振幅检测技术、高速闭环反馈探针位置控制技术、面向纳米操作的基于力反馈信号的实时探针控制技术、面向生物分子力检测的功能化探针技术，压电陶瓷纳米运动平台的非线性补偿校正技术，平面基于飞秒激光的膜片钳系统芯片加工技术、基于MEMS的芯片加工技术等一系列关键技术和方法; 测试实验验证结果表明系统功能和满足了项目申请中功能与性能验收指标的具体要求; 并在生物离子通道功能的研究中、药物筛选和评价的工作中得到了应用。本项目的完成，为开展生命科学领域中跨膜信号转导、机械门控离子通道、细胞生物特征检测、分子识别与靶标测试等重要科学实验研究提供系统技术支撑和科研条件。本项目共发表论文54篇，其中期刊论文43篇, SCI收录37篇，会议论文11篇; 申请专利20项，其中发明专利17项，已授权实用新型专利3项，培养博士研究生4人。