细胞化学刺激的微流控芯片新方法研究

发布时间：2019-03-17 20:05

【摘要】：细胞通过信号转导对其微化学环境识别与应答的能力,对于生物体的发育、组织修复以及免疫等至关重要。伴随微流控芯片细胞技术的发展,借助芯片化学刺激技术,体外模拟或重建细胞外复杂环境进而观察细胞动态响应是研究细胞内信号转导、细胞间通讯等细胞动态信号的一个最有效途径。然而现有的化学刺激方法主要是基于微灌注,其较长的溶液切换时间、较低的时空分辨率,较弱的溶液操作能力大大限制了其在细胞生物学领域的应用。本文通过创新的微通道结构设计以及精密的外部控制方式,针对不同应用需求:单细胞高时空局部刺激、单细胞高精度刺激、多组合波形刺激、高通量细胞化学刺激等,建立了五种不同的细胞化学刺激新方法,主要研究结果如下:(1)设计了一种基于水力门控的界面可调微流控芯片用于研究细胞间钙信号。通过时空控制层流状态可精确实现溶液界面的时空切换。利用微重力和选择性消化,使细胞贴壁生长在刺激通道内,采用该平台成功监测到NIH-3T3细胞在三磷酸腺苷(Adenosine 5’-triphosphate,ATP)刺激下通过间隙连接向毗邻细胞进行钙信号的传递过程;采用辛醇抑制细胞间隙连接,细胞间钙波传递消失,证明了细胞间钙信号的传递确属间隙连接的作用。(2)提出了一种鞘流门控进样方法(Gated pinched-flow,GPF),并采用理论推导、数值模拟、荧光素可视化等多种手段对该方法进行验证。借助鞘流门控高精度的重现性,成功精确刺激了单个NIH-3T3细胞的局部,并成功监测到NIH-3T3细胞在重复ATP的刺激下通过间隙连接向毗邻细胞进行重复钙信号地传递过程;并且成功实现高时间分辨(50 ms)的刺激位于微通道内不同空间内的单细胞。(3)提出了一种高时空分辨率精确制导微流控化学刺激策略,能选择性对单个靶细胞甚至局部进行高精度刺激,其溶液交换时间最快达到12 ms,刺激液夹细宽度理论上至无限小且横向移动分辨率为16.3±2.4μm/0.1 k Pa。从理论推导,数值模拟和可视化实验等多角度进一步验证了所提策略的可行性。同时,该方法还具有刺激时间、缓冲时间、刺激液的宽度和位置均可控等优点,借助该方法我们成功进行了单细胞以及细胞间的动态信号研究。(4)尝试了一种微流控任意化学波形信号发生器用于细胞动态信号研究,并采用数值模拟和可视化实验等多角度验证了所提策略的可行性。基于此化学波形发生器,我们能够实现优于10赫兹的脉冲化学波和优于0.2赫兹的连续化学波。采用快速生成不同浓度的药物脉冲进样,我们能快速高效得对同一细胞连续进行不同浓度的刺激进而快速绘制单细胞尺度药物剂量-反应曲线。在化学信号连续波实验中,我们发现受激细胞既能响应不同幅值的信号,也能截频响应输入化学信号频率的变化-高保真的响应低频化学信号。(5)建立了一种自动动态捕获刺激释放的单细胞动态流式细胞术方法。借助于该方法我们快速成功获取了三种激动剂:三磷酸腺苷,组胺,乙酰胆碱,对He La细胞刺激的剂量-反应曲线以及半最大效应浓度(Concentration for 50%of maximal effect,EC50),此方法同样适用于其他激动剂以及拮抗剂的研究。进一步的,借助其优越的流体操控能力,我们成功实现了三种激动剂对He La细胞的组合顺序刺激以及同时刺激。借助该技术,我们成功实现了同时捕获两种细胞(He La细胞和NIH-3T3细胞),并对其进行多样地刺激,实时对比分析其钙信号的差异化响应。综上所述,本文针对不同的应用需求提出了五种不同的细胞化学刺激的微流控芯片新方法,具有高时空分辨、高精度、高通量等优势,在单细胞以及细胞间信号研究和药物筛选领域有望得到广泛应用。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q2-33

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本文编号：2442653