[发明专利]单细胞全环境力学动态调控芯片

说明书

技术领域

本发明涉及生物分析技术领域，是一种动态调控细胞力学环境的芯片。

背景技术

细胞作为生命体的基本单元，不断与其环境（包括流体介质与胞外基质）相互作用，这种相互作用使细胞始终处在力学动态变化的环境中，并对细胞的生长、增殖、分化、凋亡和迁移等生命活动产生重要影响。另一方面，细胞活动的一个重要表现就是细胞产生力学变化，并以此进一步调控细胞活动。因此，细胞如何感应环境的力学刺激并将其转换为力学信号、调控细胞活动，即细胞力学，构成了生命活动的基本问题之一。作为支撑平台，细胞力学技术的发展，推动着对这一基本问题的认识不断深入，为改善人类健康发挥着日益重要的作用。

传统的细胞力学技术是在固定时间点、静态地研究集团细胞的平均行为，不能对单个细胞进行环境动态调控，已远不能满足现代细胞力学研究与应用的需要。在单细胞水平上，监测随环境变化的细胞力学信号，正成为现代细胞力学技术的主要目标（参见Discher D, et al. Biomechanics: Cell Research and Applications for the Next Decade. Annals of Biomedical Engineering, 2009, 37: 847–859）。现代细胞力学技术始于微管吸吮技术(MAT)的发明，其核心是利用微管负压调制外力，对微管吸持的单细胞进行粘附强度测试。MAT经过二十多年的发展，已建立起较为成熟的测试系统与理论模型，力的调试精度可达几个皮牛顿（10^-12 N），在细胞和分子生物力学中得到了广泛应用（参见Addae-Mensah KA, Wikswo JP. Measurement techniques for cellular biomechanics in vitro. Experimental  Biology and Medicine, 2008, 233: 792–809）。近年来，利用光镊、磁镊和原子力显微镜(AFM)等精密手段，通过细胞表面固定力学探针，可施加小至几个飞牛顿（10^-15 N）的力，正成为细胞力学研究的重要技术手段，并获得了多项重要科学发现（参见Neuman KC, Nagy A. Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy. Nature Methods, 2008, 5: 491–505）。如采用AFM和流动腔技术，证实了细胞粘附中存在键寿命能够随力增加而增加的“逆锁键”（参见Marshall BT, et al. Direct observation of catch bonds involving cell-adhesion molecules. Nature, 2003, 423: 190-193）；采用基于AFM的单细胞力谱技术，实现了细胞粘附单个受体-配体键强度的测量（参见Helenius J, et al. Single-cell force spectroscopy. Journal of Cell Science, 2008, 121: 1785-1791）；采用基于微磁珠的磁扭细胞测量技术，探测到细胞在受到外加短暂拉伸后其力学和动力学行为的改变过程，揭示了一系列新颖的细胞力学行为（参见Trepat X, et al. Universal physical responses to stretch in the living cell. Nature, 2007, 447: 592-595）。