基於微流控晶片的細胞內信號操縱新技術研究

《基於微流控晶片的細胞內信號操縱新技術研究》是依託華中科技大學，由杜偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於微流控晶片的細胞內信號操縱新技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：杜偉
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

鈣信號是細胞採用的一種普遍的調控方式，由於信號分子受體一般同多條信號通路偶聯，難以將特定形式的鈣信號與某條信號通路對應起來，而人工建立細胞內信號可以避免旁路信號的干擾，有助於更深入揭示鈣信號調控機理。目前常用的細胞內信號操縱方法無法精確控制信號在胞內形成特定的空間分布。在我們建立的基於水力門控的細胞刺激微流控晶片基礎上，本項目提出了基於微流控生物晶片的細胞內信號操縱新技術研究：利用高度可控的雙負壓系統快速切換細胞外液體環境，在細胞內形成特定振幅、頻率與濃度梯度分布的鈣振盪以及不均一激活的Rac1信號，從而建立可形成更加真實、時空特性更好的胞內信號的微流控晶片平台。並進一步結合功能光學成像技術深入研究鈣信號以及Rho-GTPase信號在調控細胞遷移、信號小分子的時空變化、關鍵蛋白的活性中所起的作用。本課題對於闡明細胞內信號轉導機理具有重要科學價值，並促進學科交叉與人才培養。

結題摘要

細胞對其微化學環境的識別與應答的能力，對於生物體的發生、發育等具有至關重要的意義。然而現有的化學刺激技術主要基於微灌注方法，溶液切換時間長、時空解析度低，溶液操作能力弱，極大限制了其在生物領域的套用。本項目提出了利用微流控晶片建立細胞刺激新技術平台，可高度模擬胞外複雜環境，進而觀察細胞動態回響，是研究細胞內信號轉導的非常有效的一種方法。我們設計了一種基於水力門控的界面可調微流控晶片，用於研究細胞間鈣信號傳播。通過控制晶片內鞘流體的時空狀態，可精確實現溶液界面的高度時空切換，具有高重現性與高時間分辨（＜ 50 ms），能夠實現通道內不同位置的單個細胞的局部精確刺激。採用該晶片平台，成功實現了ATP對NIH-3T3細胞群體的局部刺激，並發現鈣信號可通過間隙連線向毗鄰細胞傳遞。我們還建立一種基於微流控晶片的任意化學波形信號發生器，能夠實現優於10赫茲的脈衝化學波和優於0.2 赫茲的連續化學波。結果表明受激細胞既能回響不同幅值的化學信號，也能截頻回響其頻率的變化。採用快速生成不同濃度的藥物對同一細胞的連續脈衝進樣刺激，可快速獲取單細胞尺度的藥物劑量-反應曲線。我們還建立了一種自動動態捕獲、刺激、釋放單細胞的流式細胞分析的微流控方法。基於該方法，能夠快速獲取三種不同激動劑刺激單細胞的劑量-反應曲線以及半最大效應濃度。藉助其優越的流體操控能力，我們成功實現了不同激動劑對兩種細胞的組合順序刺激，並分析了不同激動劑引發的胞內鈣信號的差異。我們進一步建立了可精確預判的微流控化學刺激方法，能選擇性對單個靶細胞甚至局部進行高重現性刺激，具有高時空解析度。此外該方法還具有刺激時間、緩衝時間、刺激液的寬度和位置均高度可控等優點。藉助該方法我們成功進行了單細胞以及細胞間的動態鈣信號研究。本課題對於揭示細胞內鈣信號的分子機理以及調控信號轉導類藥物篩選具有重要的科學參考價值，並促進生物物理、生物醫學及其交叉學科的發展和人才培養。