基于纳米操作机器人的癌细胞机械特征建模与检测方法研究

Cellular mechanical property as a novel label-free biomarker has become an important research topic in the field of life sciences. However, due to the underlying mechanisms of measuring the cellular mechanical properties are still unknown, currently it is difficult to standardize the process of measuring the cellular mechanical properties and the results from different research groups are poorly comparable, hindering the practical application of cellular mechanical properties in the field of life sciences. In order to address the above issues, this project will perform investigations on modeling and detecting the cellular mechanical properties along the hypothesis-simulation-experiment-correction closed loop research idea using nanomanipulator, and the practical significance of cellular mechanical properties measurements will be explored by combining with the clinical diagnosis and treatments. The contents of the project include: isolating the cancer cells from the clinical biopsy samples, closed loop modeling and detection methods of cellular viscoelasticity based on non-ideal elastic material, developing methods that can simultaneously probe the molecular force and cellular topography based on high Q factor, the experimental verification and clinical applications. The performing of this project will develop modeling and detecting methods for cellular viscoelasticity and molecular recognition, and the dynamic changes of mechanical properties of cancer cells in the processes of cancer development and treatment will be revealed, which is of positive significance for promoting the capabilities of nanomanipulator for the application in the field of biological medicine and developing novel methods for disease diagnosis & treatment and drug efficacy prediction.

细胞机械特性作为新的免标记生物标志物(Biomarker)已成为生命科学领域的重要研究方向。然而由于对细胞机械特性测量的内在机理尚不清楚，导致当前细胞机械特性测量过程难以标准化、测量结果可比性差，阻碍了其在生命科学领域的实际应用。本课题针对上述问题，以纳米操作机器人为手段，采用假设-仿真-实验-修正的闭环研究思路，开展细胞细胞机械特征建模与检测方法研究，并通过与临床诊治相结合探索细胞机械特性检测的实际意义。具体研究内容包括：临床活检样本中癌细胞的提取；基于非理想弹性体的细胞粘弹性闭环建模与检测方法研究；基于高Q因子的细胞表面分子力和形貌同步检测技术；实验验证与临床应用。通过本研究，将建立细胞粘弹性和分子识别的理论建模与检测方法，揭示癌细胞机械特性在癌症发生发展及治疗过程中的变化规律，这对于提升纳米操作机器人在生物医药领域的应用潜力、发展新型疾病诊治和药效预测方法都有着积极的意义。

细胞机械特性在生理/病理活动过程中起着重要的调控作用，开展细胞机械特性研究对于理解生命活动内在规律和认识疾病发生机理具有重要基础意义。本项目基于纳米操作机器人技术，开展癌细胞机械特性建模与多参数检测方法研究，取得如下进展：(1) 临床原代细胞分选：提出了基于免疫磁珠标记和磁场捕获的原代淋巴瘤细胞分选方法，并应用生化荧光鉴定实验证明了分选细胞的生物活性及细胞类型；(2) 细胞机械特性建模与检测：发展了基于纳米操作机器人的细胞机械特性建模与多参数检测方法，实现了对细胞弹性特性及粘弹特性的同步检测，分析了测量参数对细胞机械特性探测结果的影响，在此基础上开展细胞机械特性与细胞生理状态关联研究，表明了细胞机械特性不仅可以指示细胞状态还能区分不同类型细胞；(3) 原代细胞机械特性探测：利用所发展的细胞机械特性检测方法对临床淋巴瘤患者原代细胞进行探测的实验结果揭示了原代细胞与体外培养细胞之间机械特性的显著差异，证明了纳米操作机器人探测临床癌症患者原代细胞的能力；(4) 单分子成像：发展了基于振动探针的单分子超分辨感知成像方法，实现了对云母表面吸附的单个蛋白分子及细胞表面蛋白分子形貌信息和分子间识别信息的同步获取，并利用力谱分析证明了分子识别探测结果的可靠性，进一步通过对临床淋巴瘤患者骨髓中的癌细胞进行探测及聚类分析揭示了原代淋巴瘤细胞表面靶点分子的空间分布；(5) 癌细胞功能调控：发展了基于微环境物理特征的癌细胞功能调控方法，利用天然高分子制作仿生粘性水凝胶，基于纳米操作机器人力信息分析成像技术优化了组分浓度配比，揭示了水凝胶结构与其机械特性之间的密切关联，证明了仿生水凝胶的生物相容性与可降解性，进一步利用水凝胶模拟细胞外基质实现了对三维环境下细胞行为的精细调控；(6) 发表基金号标注第一作者学术论文21篇。研究成果为单细胞单分子水平癌症研究提供了新的思路和技术手段，促进了微纳机器人生物医学应用基础研究的进展。