微芯片细胞电融合中膜结构、功能的动态调节机制研究

Electric signal is widely used in microchip-based cell research. Electric operation of cytomembrane cannot only explore the influence of electric field environment, but also modify the membrane structure to achieve some effects that are hardly implemented by other methods. Electric operation of cytomembrane based on a microscale electric field has many advantages such as accurate, high-efficiency and low side effect, and the resulting methods including cell electrofusion have become important research tools in biological or medical fields, so their research and development have attracted much attention.. However, the adjustment mechanism of the structure and function of cytomembrane within the electric filed environment is unclear, which let the relative experiments be short of theoretical guidance. Their designs are mainly based on the research experience and experimental exploration, and they are low-efficiency and ideal effects are difficult to be achieved. Thus, a new microchip method will be set up in this study to accurately and conveniently obtain the change of the structure and function of cytomembrane with multiple parameters of the electric field environment. Combined with the existed studies, systematic analysis method will be used to clear the behavior of cytomembrane within an electric field and its adjustment mechanism, which can be used as a guide for designing the experimental methods of cell electric operation, and improve the development of cell electro-manipulation relative fields. Thus, this study has an important significance in basic research and practical application.

电信号在微芯片上的细胞研究中广泛应用。其中，对细胞膜的电操作不但可以探索电场环境对膜的影响，还可以通过对膜结构的改变，达到其他方法难以获得的效果。基于微电场的细胞膜操作准确、高效、低副作用，由此产生的微芯片细胞电融合等方法成为生物、医学领域研究中非常重要的工具，其研究发展也因而备受关注。. 但是，微电场环境中细胞膜结构、功能的调节机制仍不甚清楚，致使相关实验设计缺乏理论指导，主要依靠研究经验和测试摸索，效率低、效果差。因此，本课题希望建立一种新的微芯片研究方法，可以更方便、准确地获得微电场环境中多种因素对细胞膜结构、功能的影响。同时，结合已有研究工作并借助系统分析方法，阐明微电场作用下细胞膜行为过程及其结构、功能的调节机制，从而为微芯片细胞电融合等研究设计提供有力指导，促进基于微芯片细胞电操作的相关研究的发展。因此，本课题工作的开展具有重要基础及应用研究意义。

微流控与微电场的结合成为一种重要的细胞研究手段，可以通过电穿孔和电融合等操作细胞膜结构，从而达到跨膜物质转运和杂合细胞产生等目的。.本课题基于微流控芯片，构建了可以精确电操控单一和多个细胞的微结构。基于微尺度流体和介电电泳力控制，实现了细胞的准确定位及操控。同时，结合聚焦电场等微电场效应，更有效地在细胞膜局部区域产生较大跨膜电压。通过多物理场耦合仿真及分子动力学仿真，对微尺度下膜的动态变化开展了分析。.采用巨型单层脂质体作为细胞膜模型结构。通过微图案化阵列、微结构阵列，、表面特性限制、结构约束等方式，实现均匀巨型单层脂质体的高效构建。通过集成的微流控设计，实现巨型单层脂质体在单一芯片上的高效制备和收集，避免了脆弱脂质体结构在收集过程中的损失，为膜结构及功能调控研究奠定了良好基础。.针对脂质膜结构的动态变化，研究了多种物理化学因素，特别是电信号参数和环境因素，如缓冲液成分对膜在液体环境中的动态变化以及膜卷曲、包裹和封闭等过程的影响。研究结果表明，电解质通常对脂质膜水合有一定压制作用，抑制膜从其附着的基底表面脱离。电解质离子与脂质分子带负电位点之间的相互作用，乙醇等非电解质分子与脂质链的相互影响脂质水合和脂质体形成。不同组分的结合位点不同，效果也不同。电场作用、浮力以及重力等物理因素会改变脂质膜的形态结构，与水合作用相协调控制巨型脂质体的形成。.在细胞膜电操作中，物理化学因素同样发挥着重要作用。除了跨膜电压，电解质和细胞尺度等因素同样会影响电穿孔等膜结构变化过程。我们研究了不同条件下膜孔的产生，维持和闭合以及由此引起的物质传输。发现离子在膜电穿孔发展过程的不同阶段有相反效应，提出了离子梯度和电场对物质传输的综合影响。.本课题进一步阐明了微电场环境中膜结构、功能的动态变化过程及影响因素，明确了相关调节机制，为微芯片细胞电穿孔及电融合等研究设计提供了有力指导，可以促进相关方法的广泛应用。