[发明专利]一种可同步实现吸吮加载与荧光观测的细胞力学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微管吸吮力学加载和显微荧光观测相结合的细胞力学装置。

背景技术

人体始终处于力学环境之中，其生物学过程受到不同力学环境的调控，表现为多因素、非线性、交互作用等基本特征，需要在微观层次定量认识其耦合规律。细胞不仅处在复杂的生物化学环境中，也处在不同的生物力学环境中；细胞力学可阐明细胞如何感受、修饰、并对细胞环境的物理特性做出响应；细胞之间通过化学和物理信号实现信息交换，从而参与胚胎发生、伤口愈合、炎症反应、肿瘤转移等一系列的生物过程；细胞对力学刺激的响应在内环境稳态和许多疾病中至关重要。

细胞力学-生物学耦合研究不仅可定量认识细胞-细胞、细胞-表面相互作用的基本规律，同时还是组织工程、再生医学、介入治疗等的重要科学基础。因此，在生物大分子相互作用、亚细胞动力学过程、细胞整体生命活动及其调控规律等方面开展定量化和模型化研究，可为认识生命现象、保障人类健康提供新概念和新方法。

目前，分子-细胞生物力学领域的发展瓶颈在于有关力学信号在细胞内的传递和转导、细胞骨架和胞内信号分子的结构变化、以及蛋白质相互作用与组装过程的动力学行为等实验数据十分缺乏，因而难以对力学信号转导途径及细胞动态响应、生物大分子反应动力学及力学-化学耦合等规律进行统一描述。

目前分子-细胞层面力学-化学、力学-生物学耦合研究的实验技术主要分为两方大类：力学加载实验（力谱）技术和荧光检测（荧光谱）技术。力学加载实验技术：对细胞或分子施加力学作用是针对细胞或分子所处的生理力学环境进行模拟，无法实现力学刺激下活细胞动力学行为（迁移、增殖、分化等）和活细胞内细胞骨架、离子和分子活动和变化的实时动态检测，并且由于细胞培养、探针标记和力学加载不能原位进行，导致测试结果难以定量、时-空耦合难以实现。基于分子光学标记的荧光检测分析成像技术能实现对分子或细胞的力学加载、也难以观测分子-细胞的力学-化学、力学生物学耦合过程。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种实现微管吸吮加载与荧光观测相结合的可同步实现吸吮加载与荧光观测的细胞力学装置，可以实现对单个细胞的拉/压力学加载以及荧光观测之间的同步化。

本发明的一种可同步实现吸吮加载与荧光观测的细胞力学装置包括：

微管吸吮模块，用于对样品池内细胞的捕获、吸吮和微操控；

倒置荧光相差显微镜，用于对所述细胞进行荧光激发；

信号采集模块，用于对微弱荧光信号的采集；

控制模块，用于对微管吸吮和荧光采集的同步触发，并进行数据分析和处理。

优选地，所述微管吸吮模块包括：

微管吸吮实验腔，用于保持生物样品的活性，便于显微操控器对生物样品（细胞）的捕获；

显微操控单元，用于对微管吸吮实验腔中的样品进行精确的捕获和移动；

压力控制单元，用于给予显微操控单元夹持的微吸吮管一定的负压，将生物样品以负压吸附的方式固定在微吸吮管顶端。

优选地，所述倒置荧光相差显微镜包括：倒置相差显微镜体、显微镜聚光器支柱、激发光源和滤镜光学组件。

优选地，所述显微操控单元安装于所述显微镜聚光器支柱上，所述显微操控单元包括：粗调显微操作器、细调显微操作器、吸吮表征有目标分子的细胞或小球的微管、控制微管运动的压电陶瓷驱动器（用于施加一定的电场使压电介质发生形变而带动微管运动）。

优选地，所述压力控制单元包括：调控所述微管管口与贮水瓶间水位差的运动部件、量化水位差的数码显示器。

优选地，所述信息采集模块为EMCCD（电子倍增电荷耦合器件）。

优选地，所述控制模块包括：

控制计算机，用于安装用户编写的控制软件，通过触发器对压电陶瓷控制器、EMCCD、滤镜光学组件的运动和开关进行控制；

触发器，用于接受控制计算机发出的数字控制信号，将其转为模拟电平信号，用于对压电陶瓷控制器、EMCCD、滤镜光学组件的运动和开关的同步触发；

图像重建和数据分析单元，用于对EMCCD获得的图像行数据分析和处理，获得图像各部分的量化信息（比如：荧光强度、面积等）和图像的时间序列重建和三维重建信息。

本发明具有如下优点：