應(yīng)用光鑷細(xì)胞操作系統(tǒng)研究細(xì)胞遷移模型及細(xì)胞遷移控制.pdf

1、細(xì)胞遷移是一種在大量生理學(xué)和病理學(xué)過程中廣泛存在并扮演重要角色的基本生物學(xué)現(xiàn)象，例如癌細(xì)胞擴(kuò)散，傷口愈合，胚胎發(fā)育過程，等等。細(xì)胞遷移是細(xì)胞趨化性的一種表現(xiàn)，細(xì)胞在受到外界信號(hào)分子的刺激時(shí)會(huì)做出朝向或者背離刺激源的自主運(yùn)動(dòng)。在過去幾十年里，出現(xiàn)了大量關(guān)于細(xì)胞遷移的研究，但是，人們對(duì)于隱藏在這個(gè)復(fù)雜生物學(xué)過程之下的運(yùn)動(dòng)機(jī)理仍然所知有限。由于在單細(xì)胞層面缺乏有效的細(xì)胞操作工具，因此阻礙了對(duì)于細(xì)胞趨化性的定量研究，這導(dǎo)致了對(duì)于細(xì)胞遷移理論的研

2、究和基于細(xì)胞遷移的生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用的開發(fā)嚴(yán)重不足。在這篇論文里，我們提出了一種利用機(jī)器人控制的光鑷操作系統(tǒng)來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴提出了一種利用光鑷的微納操作能力來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的方法。在這個(gè)方法里，我們使用了一種特殊制造的PLGA小球，這種小球在液體環(huán)境里可以緩慢釋放出化學(xué)誘導(dǎo)物分子來形成一個(gè)濃度梯度場(chǎng)。光鑷作為一種微型操作器來操作這種PLGA小球，進(jìn)而誘導(dǎo)并控制細(xì)胞遷移。這種方法在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里模擬了生物

3、活體的環(huán)境，達(dá)到誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的目的。我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這個(gè)方法的有效性。
　　⑵利用如上所述的光鑷操作系統(tǒng)研究了細(xì)胞遷移的機(jī)理。我們首先設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的方法來測(cè)量細(xì)胞遷移過程中的遷移力的大小。之后，我們建立了細(xì)胞遷移的模型，分為兩個(gè)方面:一，分析了細(xì)胞遷移過程中所受到的力，并建立了細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)模型;二，分析了細(xì)胞遷移過程中內(nèi)部的微絲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的變化，建立了解釋細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度與濃度梯度之間關(guān)系的理論模型。綜合如上所述兩個(gè)方

4、面，可以了解濃度梯度這個(gè)細(xì)胞遷移的刺激信號(hào)對(duì)于細(xì)胞內(nèi)部變化的影響，以及如何影響細(xì)胞所能產(chǎn)生的力和速度。這個(gè)模型首次闡釋了濃度梯度對(duì)于細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)性的影響，進(jìn)一步加深了人們對(duì)于細(xì)胞遷移機(jī)理的理解。
　?、墙⒘艘环N基于機(jī)器人輔助光鑷的細(xì)胞遷移控制系統(tǒng)。這個(gè)控制系統(tǒng)利用了細(xì)胞的趨化性及其運(yùn)動(dòng)特性，綜合了光鑷操作的特點(diǎn)以及藥物小球誘導(dǎo)細(xì)胞遷移的特殊性。建立了一個(gè)幾何模型，并設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的、有界的、全局漸近穩(wěn)定的控制器。利用這個(gè)控制器，

5、誘導(dǎo)物PLGA小球被控制在細(xì)胞附近來誘導(dǎo)細(xì)胞遷移并向目標(biāo)點(diǎn)收斂，同時(shí)可以避免操作過程中的碰撞。這一自動(dòng)誘導(dǎo)細(xì)胞遷移系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞遷移的自動(dòng)控制，對(duì)于未來基于細(xì)胞遷移的生物學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)工程以及臨床研究具有重要的意義。
　?、忍岢龅幕诠忤嚨募?xì)胞操作工具提供了一種新的研究細(xì)胞遷移的方法。對(duì)于遷移力的測(cè)量使得對(duì)于細(xì)胞遷移機(jī)理的研究成為可能。細(xì)胞遷移模型首次闡釋了濃度梯度對(duì)于細(xì)胞遷移能力的影響，填補(bǔ)了此項(xiàng)研究的空白。細(xì)胞遷移自動(dòng)控