《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,結題摘要,
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射參數與細胞變形之間的關係，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、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。
