细胞周期相关的声孔效应及其引发的细胞响应研究

Microbubble-mediated sonoporation has shown its great potential in facilitating intracellular uptake of DNAs, drugs and other therapeutic agents that are otherwise difficult to be permeable into cells. However, the biophysical mechanisms underlying microbubble-cell interactions remain unclear. In particular, the cell cycle-phase-dependence of cellular responses to sonoporation has never been reported. Here, efficient synchronizations will be performed to initially arrest HeLa cells in individual cycle phases. Then, both the scan electron microscopy and atomic force microscopy will be adopted to examine the topography and stiffness of synchronized cells. Finally, real-time fluorescence imaging system will be specially designed to simultaneously visualize the variations in the membrane permeabilization and cytoskeleton arrangement of single cell induced by sonoporation. The results of the current work wmay fundamentally benefit ongoing efforts that aim to pursue rational utilization of microbubble-mediated sonoporation for cell cycle-targeted gene/drug delivery for cancer therapy.

微泡声孔效应可显著促进基因/药物转染效率,是最具发展前景的癌症精准治疗方案之一,但相关作用机制尚未明晰,尤其是其细胞周期相关性的研究尚无报道。本项目拟从理论和实验两方面开展细胞周期相关的声孔效应及其引发的细胞响应研究。实验上使HeLa细胞稳定同步于G1,S和G2/M期;用扫描电镜和原子力显微镜定征不同周期的细胞形貌,大小和弹性;构建多波段声光协同显微荧光系统,同步实时观测不同周期的单个HeLa细胞的细胞膜穿孔和细胞骨架解聚的时间演化行为;理论上考虑包膜微泡非球形振动、细胞壁弹性形变等复杂因素影响,完善细胞-流体-微泡相互作用三相耦合有限元动力学模型,探讨声微流速度场和细胞壁剪切应力的影响因素。研究结果将揭示细胞周期对微泡声孔效应及相关生物效应产生影响的作用机制,为探索具有细胞周期敏感性的超声转染疗法奠定理论和实验基础,有助于控制和优化超声联合微泡介导基因/药物转染治疗肿瘤的安全性和有效性。

微泡声孔效应可显著促进基因/药物转染效率,是最具发展前景的癌症精准治疗方案之一,但相关作用机制尚未明晰,尤其是其细胞周期相关性的研究尚无报道。本项目从理论和实验两方面开展细胞周期相关的声孔效应及其引发的细胞响应研究。实验上通过恰当药物将HeLa细胞同步于不同生长周期，利用扫描电镜和原子力显微镜对其形貌、大小及细胞弹性进行量化定征。同时，构建一套多波段声光协同显微荧光观测系统，对聚焦超声和单个微泡联合作用下，处于不同周期的单个HeLa细胞所产生的细胞膜声穿孔和细胞骨架解聚的时间演化行为进行同步实时观测。理论研究方面，基于有限元方法，在考虑包膜微泡非球形振动、细胞壁弹性形变及振动过程中微泡中心移动等复杂情况，进一步完善粘性流体环境中弹性细胞-流体-微泡相互作用的多相耦合动力学模型，并基于数值仿真研究不同参数条件对声微流速度场和细胞壁上剪切应力的影响，以此来为实验现象提供理论解释，并进一步探索超声联合微泡促进基因/药物转染疗效的优化条件。本项目的研究结果揭示了细胞周期对超声联合微泡引发的细胞响应及声孔效应的影响及相关作用机制，为探索具有细胞周期敏感性的超声转染疗法奠定理论和实验基础，有助于地指导超声联合造影剂微泡介导基因/药物转染治疗肿瘤方案的制定，更好地控制和优化其临床安全性和有效性。共发表高水平学术论文23篇（其中通讯作者10篇），获得发明专利授权9项，软件著作权2项，获得国家科学技术进步奖二等（2020），第48届日内瓦发明展金奖（2021），中国声学学会魏荣爵奖（2018）。