高性能数字体相关技术及其用于细胞与三维基底相互作用研究

本项目将依托激光共聚焦显微镜三维成像技术，重点发展高性能数字体积相关方法，并用于定量研究细胞与三维基底微环境之间的物理力学相互作用。通过构建三维求和表并利用三维快速Hartley变换技术，发展高效数字体积相关整体素匹配搜索算法；根据变形前后体积图像"光流"变化特征，发展基于光流梯度的亚体素定位算法；在此基础上，引入一阶形函数表征体积微元的变形，发展基于Newton-Raphson迭代的亚体素定位算法。另一方面，以琼脂糖、胶原和荧光颗粒为基底材料，制备既适合细胞三维培养又利于共聚焦显微观测的三维"荧光散斑"基底，通过上述高性能数字体积相关技术，定量计算成纤维细胞在三维基底中迁移所引起的基底位移、应变及应力等物理力学指标，结合相关生物学实验，探索三维基底环境物理力学特性对于细胞行为和功能的影响，为细胞与三维基底相互作用的力-生化信号转导通路研究提供精确高效的测试手段和定量的物理力学实验依据。

本项目借助于激光共聚焦显微镜三维成像技术，发展高性能数字体积图像相关方法，定量探索研究细胞与三维基底微环境之间的物理力学相互作用。本项目结合三维快速傅里叶变换技术和三维求和表技术，发展了高效数字体积相关整体素搜索算法；在此基础上，针对亚体素图像定位搜索的特点，给出了基于“光流梯度”的亚体素定位算法和基于“牛顿-拉夫森”迭代的亚体素定位算法，并测试了这两种算法的精度和计算效率；为了测试数字体积图像相关方法的变形测量精度，本项目采用弹性力学中的Boussinesq-Cerruti积分解（解析解），构建了数字体积图像相关方法理论精度（误差）测试平台；提出了基于高斯窗函数的自适应数字图像相关方法和数字体积图像相关方法；为了实现细胞的三维培养与实时观测，本项目先后成功制备了琼脂糖-胶原-荧光弹性基底、聚乙二醇二丙烯酸水凝胶弹性基底和可光聚合的海藻酸钠水凝胶弹性基底，并运用原子力显微镜定量测量了此类基底材料的弹性模量；基于激光共聚焦显微镜系统搭建了三维细胞-基底变形实验加载装置；采用Sinc 函数（sin(π z) (π z)）为重构核，使用经典的Lucy-Richardson 迭代解卷积算法对三维图像进行了复原处理，纠正了Z方向上的光学偏差，运用高性能数字体积图像相关算法，定量计算得到了实际细胞-基底三维位移场；细胞与三维弹性基底力学生物学实验探索研究表明：（肿瘤）细胞能够在上述三维基底中进行正常分裂生长，且生长速度受三维基底刚度调控；本项目也建立了细胞与弹性基底相互作用的力-化学耦合模型和细胞-基底粘附成核的统计热力学模型。