[發(fā)明專利]一種可同步實(shí)現(xiàn)吸吮加載與熒光觀測的細(xì)胞力學(xué)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310117091.2
• 申請日: 2013-04-07
• 公開（公告）號(hào): CN103205360A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龍勉;章燕;高宇欣
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): C12M1/36
• 分類號(hào): C12M1/36;C12M1/34
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微管吸吮力學(xué)加載和顯微熒光觀測相結(jié)合的細(xì)胞力學(xué)裝置。

背景技術(shù)

人體始終處于力學(xué)環(huán)境之中，其生物學(xué)過程受到不同力學(xué)環(huán)境的調(diào)控，表現(xiàn)為多因素、非線性、交互作用等基本特征，需要在微觀層次定量認(rèn)識(shí)其耦合規(guī)律。細(xì)胞不僅處在復(fù)雜的生物化學(xué)環(huán)境中，也處在不同的生物力學(xué)環(huán)境中；細(xì)胞力學(xué)可闡明細(xì)胞如何感受、修飾、并對(duì)細(xì)胞環(huán)境的物理特性做出響應(yīng)；細(xì)胞之間通過化學(xué)和物理信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息交換，從而參與胚胎發(fā)生、傷口愈合、炎癥反應(yīng)、腫瘤轉(zhuǎn)移等一系列的生物過程；細(xì)胞對(duì)力學(xué)刺激的響應(yīng)在內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和許多疾病中至關(guān)重要。

細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合研究不僅可定量認(rèn)識(shí)細(xì)胞-細(xì)胞、細(xì)胞-表面相互作用的基本規(guī)律，同時(shí)還是組織工程、再生醫(yī)學(xué)、介入治療等的重要科學(xué)基礎(chǔ)。因此，在生物大分子相互作用、亞細(xì)胞動(dòng)力學(xué)過程、細(xì)胞整體生命活動(dòng)及其調(diào)控規(guī)律等方面開展定量化和模型化研究，可為認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象、保障人類健康提供新概念和新方法。

目前，分子-細(xì)胞生物力學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸在于有關(guān)力學(xué)信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞骨架和胞內(nèi)信號(hào)分子的結(jié)構(gòu)變化、以及蛋白質(zhì)相互作用與組裝過程的動(dòng)力學(xué)行為等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分缺乏，因而難以對(duì)力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及細(xì)胞動(dòng)態(tài)響應(yīng)、生物大分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及力學(xué)-化學(xué)耦合等規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)一描述。

目前分子-細(xì)胞層面力學(xué)-化學(xué)、力學(xué)-生物學(xué)耦合研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要分為兩方大類：力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)（力譜）技術(shù)和熒光檢測（熒光譜）技術(shù)。力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)：對(duì)細(xì)胞或分子施加力學(xué)作用是針對(duì)細(xì)胞或分子所處的生理力學(xué)環(huán)境進(jìn)行模擬，無法實(shí)現(xiàn)力學(xué)刺激下活細(xì)胞動(dòng)力學(xué)行為（遷移、增殖、分化等）和活細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架、離子和分子活動(dòng)和變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測，并且由于細(xì)胞培養(yǎng)、探針標(biāo)記和力學(xué)加載不能原位進(jìn)行，導(dǎo)致測試結(jié)果難以定量、時(shí)-空耦合難以實(shí)現(xiàn)?；诜肿庸鈱W(xué)標(biāo)記的熒光檢測分析成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)分子或細(xì)胞的力學(xué)加載、也難以觀測分子-細(xì)胞的力學(xué)-化學(xué)、力學(xué)生物學(xué)耦合過程。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)微管吸吮加載與熒光觀測相結(jié)合的可同步實(shí)現(xiàn)吸吮加載與熒光觀測的細(xì)胞力學(xué)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的拉/壓力學(xué)加載以及熒光觀測之間的同步化。

本發(fā)明的一種可同步實(shí)現(xiàn)吸吮加載與熒光觀測的細(xì)胞力學(xué)裝置包括：

微管吸吮模塊，用于對(duì)樣品池內(nèi)細(xì)胞的捕獲、吸吮和微操控；

倒置熒光相差顯微鏡，用于對(duì)所述細(xì)胞進(jìn)行熒光激發(fā)；

信號(hào)采集模塊，用于對(duì)微弱熒光信號(hào)的采集；

控制模塊，用于對(duì)微管吸吮和熒光采集的同步觸發(fā)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

優(yōu)選地，所述微管吸吮模塊包括：

微管吸吮實(shí)驗(yàn)腔，用于保持生物樣品的活性，便于顯微操控器對(duì)生物樣品（細(xì)胞）的捕獲；

顯微操控單元，用于對(duì)微管吸吮實(shí)驗(yàn)腔中的樣品進(jìn)行精確的捕獲和移動(dòng)；

壓力控制單元，用于給予顯微操控單元夾持的微吸吮管一定的負(fù)壓，將生物樣品以負(fù)壓吸附的方式固定在微吸吮管頂端。

優(yōu)選地，所述倒置熒光相差顯微鏡包括：倒置相差顯微鏡體、顯微鏡聚光器支柱、激發(fā)光源和濾鏡光學(xué)組件。

優(yōu)選地，所述顯微操控單元安裝于所述顯微鏡聚光器支柱上，所述顯微操控單元包括：粗調(diào)顯微操作器、細(xì)調(diào)顯微操作器、吸吮表征有目標(biāo)分子的細(xì)胞或小球的微管、控制微管運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（用于施加一定的電場使壓電介質(zhì)發(fā)生形變而帶動(dòng)微管運(yùn)動(dòng)）。

優(yōu)選地，所述壓力控制單元包括：調(diào)控所述微管管口與貯水瓶間水位差的運(yùn)動(dòng)部件、量化水位差的數(shù)碼顯示器。

優(yōu)選地，所述信息采集模塊為EMCCD（電子倍增電荷耦合器件）。

優(yōu)選地，所述控制模塊包括：

控制計(jì)算機(jī)，用于安裝用戶編寫的控制軟件，通過觸發(fā)器對(duì)壓電陶瓷控制器、EMCCD、濾鏡光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)和開關(guān)進(jìn)行控制；

觸發(fā)器，用于接受控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)為模擬電平信號(hào)，用于對(duì)壓電陶瓷控制器、EMCCD、濾鏡光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)和開關(guān)的同步觸發(fā)；

圖像重建和數(shù)據(jù)分析單元，用于對(duì)EMCCD獲得的圖像行數(shù)據(jù)分析和處理，獲得圖像各部分的量化信息（比如：熒光強(qiáng)度、面積等）和圖像的時(shí)間序列重建和三維重建信息。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：