基於微流控晶片的線粒體外膜透化信息提取和模型研究

《基於微流控晶片的線粒體外膜透化信息提取和模型研究》是依託清華大學，由錢翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於微流控晶片的線粒體外膜透化信息提取和模型研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：錢翔
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

我們採用微流控晶片產生薑黃素等藥物的濃度梯度，促使在其中長時間培養的人乳腺癌細胞MCF-7凋亡，通過觀察細胞凋亡過程中線粒體外面透化（MOMP）的現象，在細胞群體統計分析的意義上建立起了一套基於微流控晶片的藥物篩選平台。通過進一步的文獻調研和分析發現，生物學研究者在研究細胞凋亡機制的過程中，實驗所獲的信號通路變的越來越複雜，而我們現有的平台僅僅包含了MOMP有/無發生的邏輯二值化信息。因而，本申請著眼於利用微流控晶片精確的藥物激勵和連續的灌流培養特性，通過實驗獲取MOMP相關的細胞凋亡過程中線粒體膜間幾種重要分子在細胞內分布的時間和空間信息，從而建立MOMP在細胞內部的動態模型，力圖揭示MOMP產生過程中的延時效應、開/關效應是否和藥物的激勵濃度和種類有著對應的關係。這一研究可以為抗癌藥物的作用提供一定的量化衡量指標，建立更加精確效能信息，具有一定的科學意義和套用前景。

結題摘要

本項目的研究計畫以微流控晶片的精確細胞輸送、俘獲和藥物激勵為硬體工具，以基於圖像處理方法的信息提取為軟體工具，力圖結合這兩個工具研究細胞線粒體外膜透化過程中的圖像信息提取問題。因而項目在執行過程中，主要包含了兩大部分的研究內容：（一）微流控晶片的設計與加工及片上微壓力調節系統的設計與實現；（二）亞細胞結構螢光圖像分析方法。 為了實現細胞操作以及藥物作用，項目採用三維流體聚焦技術。我們獨立的提出了基於多層軟光刻的內嵌噴口用於實現三維聚焦系統，該方法與文獻[3]的報導類似，但在加工的細節上略有不同。該結構可以在微流體晶片中實現穩定、可控的兩相三維聚焦，特別是氣（連續）-液（分散）兩相的聚焦。通過調節兩相的流量和壓力，可以精確的控制液束寬度，實現單細胞的排隊和輸送。同時這一方法也可以廣泛套用於化學合成壓微米級顆粒，以及片上聚焦質譜離子源等，具有較好的套用價值。 針對本項目多通道高精度驅動問題，我們進一步研究了片上驅動及微壓力調節系統。在3位PDMS（polydimethylsiloxane）薄膜微閥的基礎上，我們設計了一個完整的片上精確調壓系統的原型。該系統主要包含一個3位PDMS薄膜微閥以及一個片上擠壓裝置，另外還包含一個PDMS薄膜容腔用於濾波。通過直接圖像測量方法，我們研究了PDMS薄膜容腔的特性。 根據本項目的圖像分析需求，為了在寬場照明的條件下實現近似於共焦成像的清晰度，又儘量避免強光下的光漂白，適合於微流控晶片的連續培養和成像，需要搭建一套高靈敏度、高精度寬場螢光顯微鏡的z軸掃描及三維解卷積成像系統。由於計算中涉及大量三維卷積操作，因此使用GPU加速。實驗結果表明，隨著參與運算的圖片數量的增多以及圖片尺寸的增大，CPU和GPU運行速度差距越來越明顯。在1024x1024大小、9張圖片的情況，GPU運行的速度已經是CPU的160倍多。 針對項目所需的螢光圖像信息提取，本項目研究了基於水平集分水嶺結合的細胞圖像分割方法。在基於地形距離函式最佳化以及四色原理填充的基礎上，測試了利用加性運算元分裂方法、距離正則化以及反應-擴散方法提高算法的收斂性和穩定性。