细胞行为调控与同步表征的光诱导操作方法研究

Each cell in tissue grows in a highly-structured environment, which affects and controls the behaviors of cells. To understand how the extracellular environment control cells’ behaviors is vital for advancing tissue engineering and regenerative medicine. However, due to the shortage of effective method for controlling and characterizing, it is difficult to quantitatively investigate the relationship between extracellular environment and cells' behaviors. This severely block the understanding on the controlling mechanism of cells' behaviors. This proposal will realize the quantitative control and high-throughput characterization, through combining the robotics, micro/nano manipulation and electrophysiological techniques, investigating the mechanism and control of optically-induced manipulating molecules and developing the strategy for automatically controlling the on-off state of virtual electrodes. Basic on these studies, develop an integrated system and experimental method to synchronously control and characterize cells’ behaviors in a quantitative and high-throughput way，and to provide a massive data for analysing the mechanism and discovering relative life phenomenon and law. This proposal will not only develop the optically-induced manipulating mechanism and its application in biotechnology, but also advance the tissue engineering and regenerative medicine.

组织中每个细胞都生长在一个高度结构化的环境中，细胞的行为直接受到其环境的调控和影响，理解细胞环境对细胞行为的调控机制是发展组织工程及再生医学的基础，具有重大的科学及应用价值。然而，由于缺乏有效的行为调控及表征方法，使得细胞环境参数与细胞行为间的定量作用关系研究难以开展，严重制约了对细胞行为调控机制的深入理解。本项目融合机器人学理论、微纳操控及电生理技术，通过研究光诱导分子操控机制及其参数调控方法，及图形化虚拟电极的自动化控制策略，实现细胞行为的动态化参数调控和高通量表征。并在此基础上，开展系统集成技术和实验研究，构建细胞行为调控及同步表征的一体化实验系统，利用动态化参数调控和高通量同步表征的特点，获取海量实验数据，为系统化定量分析细胞行为调控机制，揭示相关的生命活动现象及规律提供依据。该研究不仅在微纳操控机制及其跨生命学科应用方面有所创新，同时可为促进组织工程及再生医学的发展提供动力。

组织中每个细胞都生长在一个高度结构化的环境中，细胞的行为直接受到其环境的调控和 影响，理解细胞环境对细胞行为的调控机制是发展组织工程及再生医学的基础，具有重大的科学及应用价值。然而，由于缺乏有效的行为调控及表征方法，使得细胞环境参数与细胞行为间 的定量作用关系研究难以开展，严重制约了对细胞行为调控机制的深入理解。本项目融合机器人学理论、微纳操控及电生理技术，通过研究光诱导分子操控机制及其参数调控方法，及图形化虚拟电极的自动化控制策略，实现细胞行为的动态化参数调控和高通量表征。并在此基础上 ，结合微流控系统，构建了细胞行为调控及同步表征的一体化实验系统。基于该实验系统，项目组对小鼠骨骼肌细胞C2C12的生长过程和行为进行了调控和电学特性同步检测研究，研究结果表明搭建的一体化实验系统可以有效实现细胞的图形化生长调控和单细胞电学特性的并行监测，此外，项目组对细胞在粘附和增殖动态过程中的物理特性进行了检测分析，发现细胞粘附和增殖等不同的细胞行为会体现出差异化的细胞膜电容和密封电阻。该项目研究不仅在微纳操控机制及其跨生命学科应用方面有所创新，同时为促进细胞行为研究以及组织工程及再生医学的发展提供了有效方法。相关成果发表SCI论文8篇，申请并授权专利4项。