应用光镊细胞操作系统研究细胞迁移模型及细胞迁移控制

发布时间：2017-04-26 19:08

  本文关键词：应用光镊细胞操作系统研究细胞迁移模型及细胞迁移控制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：细胞迁移是一种在大量生理学和病理学过程中广泛存在并扮演重要角色的基本生物学现象,例如癌细胞扩散,伤口愈合,胚胎发育过程,等等。细胞迁移是细胞趋化性的一种表现,细胞在受到外界信号分子的刺激时会做出朝向或者背离刺激源的自主运动。在过去几十年里,出现了大量关于细胞迁移的研究,但是,人们对于隐藏在这个复杂生物学过程之下的运动机理仍然所知有限。由于在单细胞层面缺乏有效的细胞操作工具,因此阻碍了对于细胞趋化性的定量研究,这导致了对于细胞迁移理论的研究和基于细胞迁移的生物医学工程应用的开发严重不足。在这篇论文里,我们提出了一种利用机器人控制的光镊操作系统来诱导细胞迁移的方法。本文的研究主要集中在如下三个方面： 首先,我们提出了一种利用光镊的微纳操作能力来诱导细胞迁移的方法。在这个方法里,我们使用了一种特殊制造的PLGA小球,这种小球在液体环境里可以缓慢释放出化学诱导物分子来形成一个浓度梯度场。光镊作为一种微型操作器来操作这种PLGA小球,进而诱导并控制细胞迁移。这种方法在实验室环境里模拟了生物活体的环境,达到诱导细胞迁移的目的。我们设计并实施了一系列实验来证实这个方法的有效性。 其次,本文利用如上所述的光镊操作系统研究了细胞迁移的机理。我们首先设计了一种独特的方法来测量细胞迁移过程中的迁移力的大小。之后,我们建立了细胞迁移的模型,分为两个方面：一,分析了细胞迁移过程中所受到的力,并建立了细胞的动力学模型；二,分析了细胞迁移过程中内部的微丝结构网络的变化,建立了解释细胞运动速度与浓度梯度之间关系的理论模型。综合如上所述两个方面,可以了解浓度梯度这个细胞迁移的刺激信号对于细胞内部变化的影响,以及如何影响细胞所能产生的力和速度。这个模型首次阐释了浓度梯度对于细胞迁移运动性的影响,进一步加深了人们对于细胞迁移机理的理解。 最后,本文建立了一种基于机器人辅助光镊的细胞迁移控制系统。这个控制系统利用了细胞的趋化性及其运动特性,综合了光镊操作的特点以及药物小球诱导细胞迁移的特殊性。建立了一个几何模型,并设计了一个统一的、有界的、全局渐近稳定的控制器。利用这个控制器,诱导物PLGA小球被控制在细胞附近来诱导细胞迁移并向目标点收敛,同时可以避免操作过程中的碰撞。这一自动诱导细胞迁移系统首次实现了细胞迁移的自动控制,对于未来基于细胞迁移的生物学研究、生物医学工程以及临床研究具有重要的意义。 概括来说,本文提出的基于光镊的细胞操作工具提供了一种新的研究细胞迁移的方法。对于迁移力的测量使得对于细胞迁移机理的研究成为可能。细胞迁移模型首次阐释了浓度梯度对于细胞迁移能力的影响,填补了此项研究的空白。细胞迁移自动控制系统首次实现了自动诱导的迁移过程,不仅有利于对迁移的生物学研究,同时也在基于细胞迁移的生物医学工程应用方面走出了第一步。本文将帮助人们更加深入地理解细胞迁移这一复杂的生物现象,也为未来的靶向治疗奠定了基础。
【关键词】：细胞迁移 光镊 趋化性 浓度梯度 迁移模型 迁移控制
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q25
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• Chapter 1 Introduction17-23
• 1.1 Background17-18
• 1.2 Statement of the Problems18-20
• 1.3 Research Objectives20
• 1.4 Methodology and Significance20-22
• 1.5 Conclusion22-23
• Chapter 2 Literature Review23-47
• 2.1 Introduction23
• 2.2 Optical Tweezers23-29
• 2.2.1 Principle of Optical Tweezers24-26
• 2.2.2 Holographic Optical Tweezers26-27
• 2.2.3 Applications of Optical Tweezers in Biology27-29
• 2.3 Cell Migration29-38
• 2.3.1 Traditional Methods for Cell Migration Research30-32
• 2.3.2 Novel Technologies for Cell Migration Research32-36
• 2.3.3 Cell Migration Model36-38
• 2.4 Multirobot Controls38-46
• 2.4.1 Multirobot Formation38-40
• 2.4.2 Multirobot Navigation40-42
• 2.4.3 Automatic Micro-scale Manipulation42-46
• 2.5 Conclusion46-47
• Chapter 3 Development of Cell Migration Model47-70
• 3.1 Introduction47-48
• 3.2 Measurement of Protrusion Force48-63
• 3.2.1 Principle of Chemoattractant-induced Cell Migration48-49
• 3.2.2 Principle of Protrusion Force Measurement49-51
• 3.2.3 Experiments51-63
• 3.2.3.1 Experimental Setup51-52
• 3.2.3.2 Cell Culture and Reagents52-53
• 3.2.3.3 Calibration of Optical Tweezers53-54
• 3.2.3.4 Chemoattractant-Induced Cell Migration54-56
• 3.2.3.5 Measurement of Fc56-58
• 3.2.3.6 Measurement of Protrusion Force58-62
• 3.2.3.7 Numerical Prediction of Chemoattractant Gradient62-63
• 3.3 Dynamic Model63-68
• 3.3.1 Theoretical Model Development64-66
• 3.3.2 Comparison of Theoretical Model and Experimental Results66-68
• 3.4 Conclusion68-70
• Chapter 4 Integrated Cell Migration Control System70-98
• 4.1 Introduction70-72
• 4.2 Methodology72-75
• 4.2.1 Microsource Beads Induced Cell Migration72-73
• 4.2.2 Concentration Gradient Field Generation73-74
• 4.2.3 Framework of the Manipulation System74-75
• 4.3 Cell Migration Control with Optical Trapped Microsource Beads75-86
• 4.3.1 Modeling of Optical Manipulator and Microsource Beads75-77
• 4.3.2 Modeling of Migrating Cell77-78
• 4.3.3 Microsource Beads Formation78-81
• 4.3.4 Obstacles Avoidante81
• 4.3.5 Controller Design81-86
• 4.4 Simulation86-91
• 4.4.1 Single Bead86-88
• 4.4.2 Multi-Beads88-91
• 4.5 Experiments91-97
• 4.5.1 Cell Culture and Reagents91-92
• 4.5.2 Cell Migration Control with One Bead92-94
• 4.5.3 Cell Migration Control with Multi-Beads94-97
• 4.6 Conclusion97-98
• Chapter 5 Conclusion and Future Work98-101
• 5.1 Conclusion98-99
• 5.2 Future Work99-101
• Chapter 6结束语101-106
• 6.1 主要工作与贡献101-103
• 6.2 主要创新点103
• 6.3 研究前景与展望103-104
• 6.4 研究心得体会104-106
• Reference106-119
• 致谢119-120
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果120-122
• 中文简介122-125

【共引文献】

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本文编号：329048