低温生物相变微观机理

Intracellular ice formation (IIF) plays a critical role in cryobiology, though the underlying biophysical mechanisms are still not completely explicable. In this project, a systematic analysis will be conducted to eludidate the IIF mechanisms from isolated cells to cell monolayer. To investigate the effect of plasma membrane in IIF, the artificial lipid bilayer is introduced in a microfluidic chip, which makes possible independent control of the pores and different types of proteins on the membrane. Then we focus on the IIF process in the isolated adherent cells or floating cells by controlling the pores on the cell membrane. Also, the cell-cell and cell-outer membrane environment interactions during freezing will be investigated in cell monolayer.

微纳米层面的生物低温相变机理在冷疗或低温保存等医学领域有着重要的学术意义和应用背景，是工程热物理与生物医学交叉学科的前沿研究之一。细胞内冰作为其中的关键性课题，其核化机理及冰晶与细胞膜间相互作用尚不清楚，缺乏亚细胞层面的实验和理论研究。本课题提炼低温生物相变的基本问题，利用有效的观测手段和实验方法，开展系统性实验和理论研究。首先以人造脂质膜为研究对象，建立微环境可控的膜实验平台，将胞内冰可能的诱因单一化，从而细致分析包括膜上孔道和蛋白分子对胞内冰成核过程的影响，以及冰晶对膜相态转变的影响。进一步对单个附壁及悬浮细胞进行研究，重点考察膜上通道的开闭、扩张以及膜上损伤对于冰晶形成的影响。最后，考虑细胞单层内细胞间冰晶的传递微观机制以及通过微环境进行的相互作用对胞内冰的影响。从而系统阐述膜-细胞-多细胞的胞内冰形成及其与细胞相互作用机制。

细胞对低温物理条件下的反应是诸如肿瘤冷冻治疗等等应用的基础。本项目对长期争论的细胞内冰晶的形成机制进行研究，取得突破性进展。首先，通过创新实验研究手段，实际观测到冰晶跨过细胞膜的过程。并通过膜控制，实现不同的结晶形式。由此推断出胞内冰的形成机理。该工作发表于Int J Heat Mass Transfer之后，冷冻领域的资深专家Mazur教授来信称我们的工作“very nice paper”。其次，通过微流控生物芯片内混合培养冷冻实验，对比发现肿瘤细胞较正常细胞对低温更加敏感，为冷冻治疗肿瘤细胞如何精准确定损伤区域提供理论依据。最后，在实验过程中偶然发现低温低渗条件下细胞发生有丝分裂“回退”现象，表明细胞分裂在该特殊物理条件下局部具有可逆性。该现象指出的分裂可逆性为包括癌症发生在内的细胞增殖研究提供新思路。项目发表SCI论文10篇。尚有3篇论文整理投稿中。