[发明专利]一种可同步实现流动加载与荧光观测的细胞力学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体动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不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对细胞的流体动力学加载与荧光观测相结合的可同步实现流动加载与荧光观测的细胞力学装置，可以实现对群体细胞的动态力学加载以及荧光观测之间的同步化，从而了解力学加载条件下细胞骨架和胞内信号分子的实时动态变化。

本发明的一种可同步实现流动加载与荧光观测的细胞力学装置包括：

平行流动腔模块，用于在可控的剪切流动条件下模拟细胞在人体的流体动力环境；

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，用于对平行流动腔模块、倒置荧光相差显微镜和信号采集模块的同步触发，并进行数据分析和处理。

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，所述平行流动腔模块包括：

平行平板流动腔，形成有流体区域的宽度远大于流体区域的高度至少二十倍的腔体；

直线注射泵，用于向所述腔体注入细胞悬液。

优选地，所述信息采集模块为EMCCD。

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，通过触发器对直线注射泵、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，用于直线注射泵、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：

1）本发明突破现有细胞-分子生物力学研究中力学加载与光学检测方法之时间-空间分离的局限，建立力谱-荧光谱耦合的分子-细胞动力学实时原位观测系统，完善活细胞与分子力学行为的研究平台，为深入理解分子-细胞层面力学-化学、力学-生物学耦合规律服务；

2）本发明在倒置荧光相差显微镜上，通过选取特殊的滤片组合对样品平面的细胞进行激发，通过平行流动腔装置对细胞施加力学刺激，通过控制模块使力学刺激和荧光激发、采集同步进行，采用EMCCD对数据进行采样，并对图像进行重建和数据分析，实现了对群体细胞的流体动力学加载和荧光观测的实时动态结合。

附图说明

图1为本发明的原理框图;

图2为本发明的结构示意图；