Bessel光鑷操控活體動物亞毫米深度血管內細胞的研究

《Bessel光鑷操控活體動物亞毫米深度血管內細胞的研究》是依託中國科學技術大學，由李銀妹擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Bessel光鑷操控活體動物亞毫米深度血管內細胞的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李銀妹
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

光鑷技術可以直接深入到活體內對細胞進行操控和定量測量,開創了人們對活體內細胞進行直接接觸，無損，實時定量控制，極大的推動動物體內細胞生物學活動的研究。然而光鑷操控活體內細胞的研究剛剛開始，發展成為可臨床使用的技術還待進行不懈的努力。目前光鑷在體內只能捕獲深度約為50μm位置的細胞，而大量的生命活動現象發生在表皮層之下100μm，因此，我們首先面臨的是如何克服活體內深度操控的技術瓶頸。本課題以研究增加光鑷在活體動物內的細胞操控深度為目標，發展活體內細胞的光學操控技術。利用Bessel光束的非衍射原理和自修復特性增加活體內細胞操控的深度。研究Bessel光鑷及其建立滿足活體100μm深度捕獲的技術平台。實現活體內亞毫米深度血管中細胞的捕獲。研究光鑷捕獲效率受動物體內生物環境的影響及其雷射功率對生物組織的損傷。探索光學捕獲技術在動物活體臨床研究和診斷中的套用。

結題摘要

本項目圍繞突破動物活體內100μm深度的血管內細胞操控的技術瓶頸，提出通過利用研究新型光場實現深度組織內的有效光阱形成。基於這創新思想取得了系列研究成果，有力推進光鑷技術研究活體細胞方向的研究進展。 系統研究了DMD的複雜波前調製技術，開發了多種光場復振幅調製編碼方法，實現了振幅、位相、偏振態等光場性質的靈活調控和光場多個自由度的同時調控，實驗研究了多種新型結構光場。其中有一類具有自修復和非衍射特性的結構光場，這類光場可以抑制組織的散射特性，將這類結構光場與光鑷技術相結合，開發了新型光學操控方式和功能，取得系列創新性成果。 研究Bessel光束在生物組織中的傳輸性質，建立Bessel光鑷，實現在活體內細胞的捕獲技術。利用新型光場的優越特性，克服了傳統操控技術的一些瓶頸，進一步發展了活體內細胞的光學操控技術。我們實現了在斑馬魚體內150μm深度的血管內操控血細胞，並且有效減小了活體內操控時光阱對於捕獲細胞的熱損傷，研究用高斯光鑷通過修正相差的方法也獲得了活體內100μm深度的血管內細胞的操控，該成果的意義在於設備簡單方便推廣。 在生物化學醫學交叉套用方面，我們開發利用光鑷捕獲單個細胞和PN力探針的特點，定量測量了每對橋連細胞的斷裂力，得到“細胞受力-時間”曲線以及CBT-Cys橋連細胞對的特徵斷裂力為153.8pN，證明了細胞間存在橋連並說明橋連的結構特性。這一方法可以推廣套用於測量其他的共價鍵在低載入力速度下的斷裂力。 實現了磁性微粒的操控和多通道微粒光學輸運等新型捕獲形式，並探索用於殺傷癌細胞的實驗研究。選擇幼體斑馬魚為活體研究對象，進行活體內的細胞操控研究，建立了適合光鑷技術的斑馬魚樣品製備實驗流程。 針對活體內細胞運動速度的特點，研究適合活體樣品的快速剛度測量方法、使用正弦波流體力學法原位標定法，壓電平台納米量級的矯正等方法，解決了光鑷系統面對活體動物樣品出現的新的技術難題。 在本項目的資助下，人才培養方面也取得很好的成績，實驗室三個博士成功完成學位；利用項目經費支持我們還撰寫了《光鑷技術》這本書，為光鑷技術的發展及套用貢獻力量。在本項目取得的研究成果基礎上，活體操控的研究方向的延伸發展獲得國家自然科學基金重點項目的進一步支持。