應(yīng)用光鑷細胞操作系統(tǒng)研究細胞遷移模型及細胞遷移控制.pdf

1、細胞遷移是一種在大量生理學和病理學過程中廣泛存在并扮演重要角色的基本生物學現(xiàn)象，例如癌細胞擴散，傷口愈合，胚胎發(fā)育過程，等等。細胞遷移是細胞趨化性的一種表現(xiàn)，細胞在受到外界信號分子的刺激時會做出朝向或者背離刺激源的自主運動。在過去幾十年里，出現(xiàn)了大量關(guān)于細胞遷移的研究，但是，人們對于隱藏在這個復雜生物學過程之下的運動機理仍然所知有限。由于在單細胞層面缺乏有效的細胞操作工具，因此阻礙了對于細胞趨化性的定量研究，這導致了對于細胞遷移理論的研

2、究和基于細胞遷移的生物醫(yī)學工程應(yīng)用的開發(fā)嚴重不足。在這篇論文里，我們提出了一種利用機器人控制的光鑷操作系統(tǒng)來誘導細胞遷移的方法。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴提出了一種利用光鑷的微納操作能力來誘導細胞遷移的方法。在這個方法里，我們使用了一種特殊制造的PLGA小球，這種小球在液體環(huán)境里可以緩慢釋放出化學誘導物分子來形成一個濃度梯度場。光鑷作為一種微型操作器來操作這種PLGA小球，進而誘導并控制細胞遷移。這種方法在實驗室環(huán)境里模擬了生物

3、活體的環(huán)境，達到誘導細胞遷移的目的。我們設(shè)計并實施了一系列實驗來證實這個方法的有效性。
　?、评萌缟纤龅墓忤嚥僮飨到y(tǒng)研究了細胞遷移的機理。我們首先設(shè)計了一種獨特的方法來測量細胞遷移過程中的遷移力的大小。之后，我們建立了細胞遷移的模型，分為兩個方面:一，分析了細胞遷移過程中所受到的力，并建立了細胞的動力學模型;二，分析了細胞遷移過程中內(nèi)部的微絲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的變化，建立了解釋細胞運動速度與濃度梯度之間關(guān)系的理論模型。綜合如上所述兩個方

4、面，可以了解濃度梯度這個細胞遷移的刺激信號對于細胞內(nèi)部變化的影響，以及如何影響細胞所能產(chǎn)生的力和速度。這個模型首次闡釋了濃度梯度對于細胞遷移運動性的影響，進一步加深了人們對于細胞遷移機理的理解。
　?、墙⒘艘环N基于機器人輔助光鑷的細胞遷移控制系統(tǒng)。這個控制系統(tǒng)利用了細胞的趨化性及其運動特性，綜合了光鑷操作的特點以及藥物小球誘導細胞遷移的特殊性。建立了一個幾何模型，并設(shè)計了一個統(tǒng)一的、有界的、全局漸近穩(wěn)定的控制器。利用這個控制器，

5、誘導物PLGA小球被控制在細胞附近來誘導細胞遷移并向目標點收斂，同時可以避免操作過程中的碰撞。這一自動誘導細胞遷移系統(tǒng)首次實現(xiàn)了細胞遷移的自動控制，對于未來基于細胞遷移的生物學研究、生物醫(yī)學工程以及臨床研究具有重要的意義。
　　⑷提出的基于光鑷的細胞操作工具提供了一種新的研究細胞遷移的方法。對于遷移力的測量使得對于細胞遷移機理的研究成為可能。細胞遷移模型首次闡釋了濃度梯度對于細胞遷移能力的影響，填補了此項研究的空白。細胞遷移自動控