面向微注射的細胞力學建模、表征與參數最佳化

《面向微注射的細胞力學建模、表征與參數最佳化》是依託清華大學，由吳丹擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向微注射的細胞力學建模、表征與參數最佳化
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：吳丹
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目以生命科學研究中轉基因動物細胞微注射為套用背景，針對目前機械損傷大、細胞成活率低、操作效率低的問題，提出對細胞的力學建模、表征及微注射參數最佳化進行深入的理論分析和實驗研究。基於鞏櫃細胞膜獨特的雙親性磷脂雙分子層結構，提出採用耗散粒子動力學構建一種新的細胞力學模型，用以在分子層面研究細胞膜體系的動力學性質和微觀狀態，獲得細胞表面張力、彈性模量等力學參數的表征方法。基於細胞力學模型，研究微注射過程中細胞被外力作用後的力學回響和變形行為，定量分析注射力等微注頁鍵阿射參數與細胞變形之間的關係，仔說辨實現參數最佳化，並從理論上揭示微注射時細胞膜的破裂機理。在理論研究基礎上，建立微注射實驗系統，進行斑馬魚晶胚微注射實驗，驗證和完善細胞力學模型，並套用於轉基因斑馬魚生物學研究，成倍提高細胞成活率和操作效率。本項目成果將極大地促進微注射技術和細胞生物力學的發展，並為生命科學前沿研究提供重要理論分析和實驗技術支持。

結題摘要

本項目以生命科學研究中轉基因動物細胞微注射為套用背景，針對目前機械損傷大、細胞成活率低、操作效率低的問題，研究細胞力學建模、表征及參數最佳化方法與技術，並將此擴展到從納米結構向細胞導入外源物質，深入分析納米-生物界面，研究細胞力學行為，最佳化實驗參數，以降低細胞損傷。 本項目主要研究內容與成果如下： （1）採用耗散粒子動力學（Dissipative Particle Dynamics, DPD）理論與方法，建立了一種新的細胞力學模型，即細胞微結構模型。該模型綜合考慮細胞膜的磷脂雙分子層結構，並以細胞骨架為基礎，引入交聯蛋白、分子馬達等微結構以及解離/反解離、聚合/解聚合、摺疊/解摺疊等生理過程。對比細胞模型與實際細胞的粘彈性，結果表明細胞模型能很好地模擬細胞的動態力學性能。 （2）利用所建立的DPD微結構模型和基於能量法的連續介質模型，研究了微注射過程中細胞的力學行為。通過建立顯微注射過程中系統的能量方程，採用拉格朗日極值原理和瑞利-里茲（Rayleigh–Ritz）方法進行求解，得到了細胞變形以及注射力、煮項格注射距離等參數間的關係。該模型可以有效避免建模過程中的人為估計和經驗推測，更加準確地反應細胞的力學行為。提出了細胞受損傷的評價標準，並利用細胞微結構模型，探究了微注射過程中降低細胞損傷的方法。結果表明較小的注射針半徑，更尖的注射針以及較大的注射速度能減少細胞的損傷。 （3）建立了斑馬魚胚胎細胞顯微注射硬體系統，完成了對顯微注射儀的速度、位移的定量控制。研究了不同針尖半徑、針尖形狀、注射速度、角度以及水平偏移下，斑馬魚胚胎顯微注射實驗中細胞的變形，驗證仿真模型的準確性，並推斷出斑馬魚胚胎細胞符合“外部殼-內部液體核”模型。 （4）提出了不同表面形式的納米探針在刺入細胞膜時的納米-生物界面模型：親宙匙簽殼水表面的納米針在進入細胞膜時會形成一個親水孔；而疏水針則會形成一個T字形形狀。軸向針和隨機針能有效降低納米針刺入過程院姜采中對細胞膜的損傷。發現配體對碳納米管進入細胞的影響：配體分子的數量越多，碳納米管進入細胞膜的穿透率越低。均勻分布的配體布局形式能避免進入過程中納米管的轉動，因而具有更高的穿透率。並且選擇長度較短，剛度較小以及疏水性的配體分子都能提高其進入細胞膜的效率。 本項目戀習熱奔成果極大地促進了微操作技術和細胞生物力學的發展，並為生命科學前沿研究提供重要理論分析和實驗技術支持。