血管内皮细胞纳米生物力学特性的扫描探针声显微技术研究

Mechanical properties of nano-biomaterial is the forefront of biomedical research. Pathological studies carried out in cell scales are more effective ways to detect and treat serious diseases. Endothelial cells play an important role in cardiovascular disease, diabetes and cancer. The application intends to visualize the endothelial cell surface and sub-surface morphology and measure the mechanical property of cell/cell organelles by means of scanning probe microscope and scanning probe acoustic microscope, theoretically and experimentally. Ultrasonic and medical field will be enforced on the endothelial cells, independently and simultaneously. The effect of ultrasonic and medical field’s parameters on the morphology and the nano-mechanical properties of endothelial cell,as well as on the associated organelles of endothelial cell,will be studied. Finally, the effect of the ultrasonic and medical field on endothelial cell’s activity and angiogenesis capability will be investigated by activity test of endothelial cell and animal experiments. Depending on all above studies , the relation between the nano-mechanical parameters of endothelial cell and the physiological and pathological phenomena associated with blood vessels will be investigated, by which profound knowledge about the induced mechanism of the related diseases will be got and a new acoustic method of detecting and treating the diseases caused by the dysfunction of endothelial cell will be provided.

纳米生物的力学特性是生物医学研究前沿。在纳米尺度开展细胞生理和病理学研究是对严重疾病的诊断和康复的更有效途径。血管内皮细胞在心脑血管病、糖尿病及恶性肿瘤的发生和发展中起重要作用。本申请拟从理论及实验两方面共同开展利用扫描探针声显微镜在纳米尺度上对内皮细胞表面、亚表面的形貌进行成像，并利用扫描探针显微镜对细胞、细胞器的生物力学特性的检测技术研究。通过对内皮细胞单独和共同施加超声场和药物场，研究内皮细胞及其有关细胞器的形貌和纳米力学特性对超声及药物场参数的响应。最后,开展内皮细胞的活性测试及动物试验，探讨超声和药物场作用对内皮细胞活性与血管新生能力的影响。经过以上研究，希望探索内皮细胞纳米力学参量与血管相关的生理和病理现象之间的联系，深入理解相关疾病的诱发机理，为因内皮细胞功能障碍引发的疾病提供新的声学检测和治疗手段。

约有三分之一的外周动脉疾病最终将发展为肢体缺血，虽然现有的治疗方法如搭桥或导管介入治疗对肢体缺血的康复取得了一定进展，但疗效仍不尽如人意。据统计，在美国或欧洲25%的肢体缺血病人最后需要截肢，而在发展中国家，截肢似乎是对肢体缺血病人最常用的方法。因此，开发一种新的治疗方法来缓解肢体缺血非常重要。血管再生是治疗血管狭窄的有效方法之一，而内皮细胞的增生和迁移与生物体血管再生能力紧密相关。. 本项目主要研究超声刺激内皮细胞促进血管新生的方法，并研究细胞的扫描探针显微术/扫描探针声显微术的成像、定量方法以及机理。以上目标均已完成，获得的主要成果包括：(1) 基于纹影法和Radon逆变换实现了超声场的三维重建；(2) 提出了纹影法对驻波超声场的定量方法；(3) 研究了超声刺激血管/血管内皮细胞实现增殖和迁移的方法，并研究了其机理；(4) 研究了压痕法测量内皮细胞弹性的偏差来源及其修正方法；(5) 测量了正常内皮细胞和受损内皮细胞的弹性差异；(6) 探讨了扫描探针显微术和扫描探针声显微术的成像机理。. 项目研究成果对血管狭窄疾病的康复提供了新方法，并提供了内皮细胞的定量检测方法。在超声学和生物医学工程中均具有一定的科学价值，对推动超声刺激生物体促康复具有重要作用。