应用光镊技术研究活体内毛细管中红细胞的变形与流动

The biological research in vitro may not reflect the biological activities in vivo accurately due to the complexity of the in vivo environment. Therefore, biological studies in vivo, especially within living animals are important to verify our knowledge acquired from the in vitro studies. The studies of in vivo biological activities will be greatly accelerated with a tool of trapping and manipulating biological cells within living animals. The deformation and motion of red blood cells (RBC) in capillary flow in vivo is helpful to understand the micro-circulation, so studying the deformation and motion of red blood cells in capillary flow in vivo is important for the life sciences and medical research. This application is aimed to study the deformation and motion od red blood cells in vivo using in vivo optical trapping technology. Firstly, we will establish a micro-flow channel system for calibrating the parameters of optical trapping in blood capillary in vivo. Secondly, the red blood cells will be trapped and fixed in the blood flow with optical trap. The red blood cells will deform in the flow. We study of the deformation of non-free red blood cells in the capillary flow within the living animals. Thirdly, the red blood cell will be manipulated to the vessel edge. When detached from the vessel wall, the RBCs will move with the capillary flow and the motion will be recorded and analyzed for study the dynamics of red blood cells in shear flow in vivo. In conclusion, we try to trap and manipulate the RBCs in blood capillary within living animal with in vivo optical tweezers and observe the deformation and motion of non-free RBCs in blood capillary in vivo. The actualization of this subject will be helpful to elucidate the relationship of the rheological properties and physiology phenomenon of the red blood cell.

由于动物体内环境的复杂性，在体外或培养环境下的测量结果不能完全准确地反映在体内的实际情况。研究红细胞在活体动物体内微血管中的流动和变形，有助于了解微循环的机理，因此研究测量红细胞在体内毛细血管中的流动与变形能力对生命科学、医学研究等领域具有重要意义。本申请拟应用光镊研究红细胞在体内血管中的变形与流动。内容包括：通过建立微流道系统研究光镊力学参数的测量方法，解决毛细血管中捕获微粒时的光阱力学参数测量方法学问题；应用体内光镊技术捕获动物体内毛细管中红细胞并固定于血流中，观察红细胞在流场中的变形，研究非自由红细胞在体内流场中的变形与流动；应用体内光镊技术操控功能将红细胞操控至血管边沿，研究体内红细胞粘附于和从血管壁脱落后的运动规律。通过以上研究，明确非自由红细胞在毛细流场中的变形系数与血流压力差的关系，建立红细胞从血管壁脱落后的运动模型，为阐明红细胞流变学特性与红细胞生理学现象间的联系做基础。

由于动物体内环境的复杂性，在体外环境下的测量结果不能完全准确地反映在体内的实际情况。观察和操控是活体动物内研究的两大手段。目前能够无损操控动物体内细胞的技术只有光镊技术。光镊技术在体内捕获操控细胞与体外情况有很大的区别。体内细胞的流动性和生物组织的散射，对光阱力提出很高的要求。在项目执行过程中，我们研究了提升光阱力的方法，其中包括横向和纵向光阱力。光镊除了能够操控细胞外，还能够测量微小力。光镊测量微小力的基础是标定光阱刚度。我们研究了体内光阱刚度的标定方法，并改进体外光阱刚度测量方法，以便进一步应用于体内测量。另外，我们用体内光镊技术捕获动物体内毛细管中红细胞，将其固定在血流中，观察红细胞在流场中的变形，研究非自由红细胞在体内流场中的变形，得到红细胞变形长度随时间的周期性变化。采用光镊捕获红细胞放置于血管边沿，关闭光镊后，观察红细胞的运动形态，发现红细胞并没有作蹦跳运动，并分析了原因。最后，我们通过发展光场调制技术，发展了非对称贝塞尔光束、自弯曲对称cusp光场、Lommel光束等，这些光束的非衍射特性预计在体内光捕获中将得到重要应用。