活体单细胞电/力学本征信息自动获取方法研究

Currently, label-free information detection and acquisition of living individual cells is one of the main aims of cell research community, among which intrinsic cell information detection especially the electrical and mechanical information of the cells has become the key to achieve this target. However, the lack of high-throughput and automatic detection approaches restricts the application of using this kind of information as biomarkers. To address this issue, we here propose a high-throughput and automatic approach based on the theoretical study of living individual cells using the optical-electric coupling field. Briefly, the multi-parametric response and control of living individual cells will be explored, followed by the theoretical study of manipulating living individual cells using the optically-induced dielectrophoresis. Based on these results, modeling methods leading to the intrinsic cell information will be established accordingly. Furthermore, dynamic observation and analytic methods of microscopic vision for living individual cells will be investigated, and a high-throughput and automatic approach with statistical characteristics of large population cells will be described. In summary, in this proposal, we will develop a systematic method for the automatic acquisition of intrinsic information of living individual cells in large populations with the merit of high-throughput. The proposed cellular information acquisition approach will have special significance for the development of biophysics and cell research.

活体单细胞免标记信息检测与获取是目前细胞科学追求的目标，细胞本征信息检测正在成为实现这一目标的关键，这其中尤以电/力学等本征信息的检测与获取为当前的研究热点。然而，由于缺乏高通量自动检测获取方法，制约着电/力学本征信息作为生物标记的使用。针对上述问题，本项目拟开展基于光电耦合场作用的活体单细胞电/力学本征信息高通量自动获取方法研究。运用光电耦合场方法，探索光诱导电液动力学机制下的活体单细胞多参量作用响应与调控理论；开展基于光诱导介电泳机理的活体单细胞操控理论研究，建立光诱导介电泳场致作用下的活体单细胞电/力学本征信息获取模型；研究活体单细胞显微视觉动态观测与分析方法，提出具有统计学特性的大样本量活体单细胞电/力学本征信息高通量自动获取量化方法。通过本研究，将发展一种可高通量自动获取大样本量活体单细胞本征信息的系统方法，该方法对推动生物物理和细胞科学研究具有特别重要的意义。

以光诱导电液动力学作用下的活细胞运动特性分析为主线，建立了活细胞多参量调控理论与响应机理，建立了基于光诱导介电泳的活细胞本征信息获取模型，提出了光诱导电液动力学下细胞动态运动特性实时同步追踪算法模型，开展了癌细胞本证信息获取实验研究，并通过实验验证，提出了膜电容评价药物浓度的新方法。此外，研究了血红细胞自旋转特性及其与存储质量的关系，并系统性的研究了癌细胞自旋转特性。总结如下：.光诱导电液动力学理论方法研究。研究构建了光电子镊实验系统，建立了光电子镊芯片等效电路模型；运用有限元仿真方法，研究分析了光诱导电液动力学方法的各参量作用与操控范围。重点研究了入射光谱与外加交流电压波形对作用于微纳物体的光诱导介电泳力的影响，建立了光诱导电液动力学操控机制。.提出了光诱导电液动力学下的活细胞行为特征动态识别追踪获取算法。通过背景滤除完成细胞自动追踪，与其他临近图像对比计算，其中显著不同的图像被选作参考图像；通过计算视频中每一帧与参考图像的相关系数，实现了对识别细胞的追踪。.提出了可精确获取细胞本征信息方法。利用光诱导介电泳技术，建立了精确的细胞膜电容/膜电导及杨氏模量获取模型，获取了细胞的膜电容/膜电导及杨氏模量。并对MCF-7细胞进行了不同浓度药物作用研究，证明了可通过细胞膜电容实现药物浓度表征。.提出了一种可实现血红细胞质量评价新方法。分别研究了不同存贮时间血红细胞自旋转特性，实现了对血液存贮质量评估。实验上证明了癌细胞自旋转可作为一种新的免标记物，用于细胞分离及选型。