基于微纳机器人技术的癌症转移过程中细胞动态力学特性研究

Micro/Nano robotics and automation systems for biomedical applications is a challenging international frontier in the field of information science. The threat to human health from cancers is becoming increasingly serious, but the information about the underlying mechanisms guiding the metastasis of cancerous cells is still scarce. In this project, for addressing the two important issues (cancerous cell-microenvironment interactions, directional movement of cancerous cells) involved in the process of cancer metastasis, micro/nano robotics is utilized to systematically investigate mimicking extracellular matrix, controlling cellular movement direction, and measuring cellular dynamic mechanical properties from the perspective of engineering physics, with the hope of revealing the influences of cancerous cell-microenvironment interactions on cellular physiological functions and the dynamics of cellular mechanical properties during directional movement. The aim of this project is to explore the applications of micro/nano robotics in solving the practical problems in the field of biomedicine. The performing of this project will develop a series of methods about controllable construction of the cellular microenvironments at micro/nano scale and multi-parametric quantitative characterization of dynamic cellular mechanical properties, which provides new ideas and technical means for cancer studies at the single-cell level. The project is helpful for promoting the application potentials of micro/nano robotics in the field of biomedicine, and also has important fundamental significance for the construction of national healthy strategy and the development of automation.

面向生物医学应用的微纳机器人与自动化系统研究是信息科学领域富有挑战性的国际前沿课题。癌症对人类生命健康的威胁正日益严重，但有关癌症转移机理的认识还很不足。本项目以癌症转移过程中涉及的两大重要因素(癌细胞与微环境相互作用，癌细胞定向行进)为切入点，基于微纳机器人技术，从工程物理学角度开展细胞外基质模拟、细胞运动方向控制、细胞动态力学特性观测等系统性研究，揭示癌细胞与微环境间相互作用对癌细胞生理功能的影响及癌细胞运动过程中动态力学特性变化规律，探索微纳机器人技术在解决生物医学问题上的实际应用。通过本研究，将发展微纳尺度下细胞微环境可控构造和运动细胞力学特性多参数量化表征系列方法，为单细胞水平癌症研究提供新的思路和技术手段，有助于提升微纳机器人在生物医学领域的应用潜力，对国家健康战略建设和自动化学科的发展具有重要的基础意义。

转移是导致癌症死亡的主要原因，在单细胞尺度揭示癌症转移过程的内在物理机制对于癌症诊疗及国家健康重大战略需求具有重要基础意义。本项目围绕癌症转移物理机制重大科学问题，以细胞与微环境之间相互作用为切入点，开展基于原子力显微镜(AFM)微纳机器人技术的癌症转移过程中细胞动态力学特性研究，取得如下进展：(1)天然水凝胶原位结构解析：建立了基于AFM微纳机器人技术的食虫植物分泌的天然水凝胶黏液精细结构原位解析与力学特性探测方法体系，发现了构成食虫植物黏液的多种纳米结构，为纳米尺度下原位解译生物黏液水凝胶材料自组装形成过程的内在机制提供了新的方法；(2)水凝胶模制作：提出了基于天然生物多聚物分子之间交联反应的仿生水凝胶制作方法，分析了仿生水凝胶各组分浓度与水凝胶微观结构及力学特性之间的联系，证明了仿生水凝胶有助于形成细胞三维球状体，为生物材料设计提供了新的思路；(3)细胞外基质微纳形貌特征：实现了溶液环境下细胞外基质的原位高分辨率成像，揭示了细胞培养基沉积形成纳米颗粒形貌界面调控细胞生长的分子机理，在此基础上利用光刻蚀技术加工微型沟槽基底构建了细胞外基质微纳分层形貌结构界面，并实现了对癌细胞生长形态及力学特性的调控，为微/纳米尺度下细胞与微环境之间的相互作用提供了新的认知；(4)细胞动态力学特性探测：发展了基于微流控技术的癌细胞转移过程中的流变微环境可控构建方法，实现了AFM与细胞培养基动态液流环境的集成，在此基础上建立了基于AFM的流变环境下单个癌细胞多参数力学特性(杨氏模量，粘性系数，黏附力)的测量方法，揭示了流变环境对癌细胞力学特性的显著影响，为研究癌细胞转移过程中的力学机制提供了新的可能；(5)以上研究成果发表项目申请人第一作者/通讯作者SCI期刊论文(均标注基金号)20篇。本项目研究成果为微环境物理因素在癌症转移过程中的调控作用提供了新的认知，为探究癌细胞与微环境之间的相互作用提供了新的可能，对于肿瘤学研究具有广泛的基础意义。