面向病毒颗粒入侵细胞微观机制研究的机器人化纳米操作方法

To date, in virology research, the extensively used macro-scale cluster average approach cannot reveal the behavior of single virus or monitor the dynamic invasion process of virus into host cell. What’s more, the current method is also suffered from lack of precisely qualitative or quantitative analysis of cell’s response. With the purpose of tackling those issues, in this proposal, we will develop a nano-robotic manipulation system based on the scan ion conductance microscopy (SICM). Through our work, the high resolution control of virus particle motion will be performed with Kurt effect. Then, we will conduct quantitative injection of virus particles into living cell. And, by building up a feedback control system with high noise immunity, the virus particles will be precisely delivered onto the desired location on cell membrane. Furthermore, with our system, the delicate topography, membrane motion and mechanical property of living cells will be characterized in-situ; therefore, the whole virus invasion process will be monitored at real-time. In our proposal, the combination of nano-robotics technique and biology research has great potential to induce a revolutionary impact on the future biological research, and largely extends the application of nano-robotics. Finally, this work will set a nice example for the introduction of engineering technology into frontier biomedical research.

本项目针对当前病毒学研究普遍采用的宏观集群平均方法，无法揭示单个病毒颗粒的活动特征，无法动态监控宿主细胞被入侵的过程，缺乏对细胞响应事件精细的定性和定量分析等问题，开展基于扫描离子电导显微镜（Scanning Ion-Conductance Microscopy, SICM）机器人化纳米操作基础研究工作。建立基于库尔特效应的病毒颗粒精确控制方法，实现病毒颗粒对单细胞的定量入侵；建立高抗干扰性反馈控制策略，实现病毒颗粒入侵细胞靶点的精确定位；建立微观尺度上细胞超微形貌、膜运动和机械特性自动化检测技术，实现对被入侵宿主细胞的动态响应过程实时监控。本项目将纳米操作机器人技术与生物研究相结合，可为生物学未来发展带来革命性的影响，也将进一步提升纳米操作机器人技术的研究水平，对开辟工程技术在生物医学领域的创新性应用起到积极作用。

针对病毒的早期研究主要采用的是批量病毒感染批量细胞的集群效应，不能反应单一病毒颗粒的侵染过程，无法实现并对病毒入侵细胞动态过程的微尺度、高分辨率分析，对细胞响应事件缺乏精细的定性和定量分析等问题。本项目基于 SICM 的机器人化纳米操作技术，建立了基于库尔特效应的病毒颗粒精确控制方法，实现了病毒颗粒对单细胞的定量入侵；提出了高抗干扰性反馈控制方法，实现了病毒颗粒入侵细胞靶点的精确定位；研究了微观尺度上细胞超微形貌、膜运动和机械特性自动化检测技术，实现了对被入侵宿主细胞的动态响应过程实时监控，获取了细胞被病毒侵染前后多维生理信息的变化情况；初步揭示病毒学中的单分子行为，为寻找新型抗病毒靶标开辟新的思路和技术途径。在项目执行期间，完成SCI论文5篇，其中1篇在投，申请发明专利3项。