细胞迁移动力学的实验与理论研究

The migration of bacteria or mammalian cell is very popular in nature. It is the appropriate response for living cell to seek for better micro-environment and run away from danger, such as bacteria chemotaxis, antibiotic phenomena, wound healing, and cancer cell metastasis. The experimental and theoretical studies of cell migration can help us to figure out the control network, and better understand the complex behavior of cells. It is now one of the research frontier in quantitative biology. This project is an interdisciplinary study conducted between physics and quantitative biology. We will aim at the key problems and develop trends of cell migration on the basis of our accumulated experience in the research fields of microfluidics and quantitative biology. We will build up new experimental and theoretical methods, aiming at getting progresses in spatiotemporal bacteria chemotaxis behavior, bacteria-antibiotic spatiotemporal fitness dynamics and the cancer cell migration dynamics.

细菌/细胞迁移行为广泛地存在于自然界中，是生命体为了应对周围的复杂的环境变化采取的普遍行为，例如细菌的趋化行为，细菌-霉菌的抗生行为，伤口表皮细胞的迁移，癌细胞的转移等。其动力学的实验与理论研究对定量地刻画其控制网络，揭示生命的复杂行为有重要的意义，目前已经成为国际上研究的热点。本项目属于物理学与定量生物学的交叉学科研究，将瞄准细胞迁移动力学的关键问题与发展趋势，在多年积累的微流控与定量生物学研究的基础上，建立一些标准的实验与理论研究方法，力争在细菌时空趋化性，菌群-抗生素的时空适应行为以及癌细胞迁移动力学上取得突破。

项目组开展了系列针对细菌，细胞迁移动力学的实验与理论研究工作。1. 建立了周期性行波浓度场赛道并调整波速，发现了细菌趋化运动过程中的“跃迁”行为，工作被美国物理协会APS做亮点报道；2.发现绿脓杆菌趋化运动中的单鞭毛对称调节行为，并从理论上证明其此类调节行为使得其趋化效率最优，工作被同行专家在F1000上以“New Finding”亮点推荐；3.发现了双梯度浓度场下细菌群体的奇特“逃逸条带”行为，定量描述此行为并解释了其中的生物物理机理；4.共生菌群的群落结构，比率的动力学行为及对群体耐药性的影响进行了定量研究，发现菌群空间协作机制，为克服菌群的高耐药性特征提供了可能的机制；5.定量研究了3D条件下癌干细胞和癌细胞的不同迁移动力学； 发现了癌干细胞在癌细胞的联合迁移行为中的作用，为癌症诊断和靶向治疗提供了重要参考；6.整合物理分离捕获循环肿瘤细胞的方法，实现高通量下92%的循环肿瘤细胞捕获效率，成功实现临床测试肿瘤病人与正常人血液中类循环肿瘤细胞数量的检测。.在本项基金的支持下，项目组共发表38篇SCI收录论文，其中Nature Physics 1篇，PNAS 一篇，PRL 1篇, Communications Biology 1篇，Lab on a Chip 2篇，mBio 1篇，Plos Computational Biology 2篇。获批国家发明专利一项，在国际会议上做邀请报告十七人次。