[發明專利]用于測定生物細胞或生物細胞樣顆粒的機械性質的方法和系統

在審

• 申請號: 202010012461.6
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111474106A
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 姚湛史;關靜芝;潘永安
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: G01N15/14
• 分類號: G01N15/14
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;洪欣

本申請提供了用于測定生物細胞或生物細胞樣顆粒的機械性質的方法，包括以下步驟：使包含所述生物細胞或生物細胞樣顆粒的流體沿第一方向通過微流體通道；在所述流體通過所述微流體通道的過程中，在橫向于所述第一方向的第二方向，利用光鑷將所述生物細胞或生物細胞樣顆粒中的至少一部分捕獲；采集所述生物細胞或生物細胞樣顆粒通過所述微流體通道的圖像；以及基于所述圖像中被所述光鑷捕獲的生物細胞或生物細胞樣顆粒的形變量，測定生物細胞或生物細胞樣顆粒的機械性質。本申請還提供了實施上述方法的系統。

相關申請

本申請要求2019年1月23日提交的名稱為“An Optofluidic Stretcher forBiological Cells and Soft Particles(用于生物細胞和軟顆粒的光流體伸展裝置)”的美國臨時申請62/918,234號的優先權，通過援引的方式將其內容整體并入本文。

發明領域

本申請大體涉及生物力學、光學和流體力學技術領域。具體而言，本申請提供了結合光鑷技術和微流體技術的用于測定生物細胞或生物細胞樣顆粒的機械性質的方法和系統。

發明背景

生物細胞的機械性質(也稱為力學性質)可以用作內在的、不需要標記的生物標志物，可以指示細胞的生理和病理變化[1]。細胞形變能力的改變與基礎細胞骨架的改變有關[2]，已發現其與細胞廣泛的功能變化有關，包括分化[3]、凋亡[4]、疾病轉化[5]和藥物反應[6]。特別是，越來越多的證據表明，人紅細胞(RBC)的形變能力下降是各種人類疾病的癥狀，例如瘧疾感染[7]，糖尿病[8]和鐮狀細胞性貧血[9]。對于惡性瘧原蟲瘧疾，最近的實驗表明，被寄生的紅細胞的膜硬度可以增加多達10倍[10]。這些發現表明，細胞形變能力的表征有可能為區分健康和非健康細胞提供有用信息，進而成為疾病診斷的考量因素。

為了研究細胞形變能力的病理生理學重要性，在過去的幾十年中，細胞的機械性質一直吸引著廣泛的研究興趣。已經開發了數種技術來評估單細胞的機械形變能力。已報道的表征技術包括微量移液器抽吸[11]，原子力顯微鏡[12]和需要有高折射率微珠(例如二氧化硅或聚苯乙烯微珠)附著于細胞的兩端用于機械負載的光鑷技術[13]。這些技術涉及固體表面和被測細胞之間的直接物理接觸，這可能會改變細胞的自然行為，甚至在測量過程中損傷細胞。另一個實踐中的問題是這些技術都是基于靜態測試條件，這意味著表征通量較低。事實上，高通量測試價值更大，能夠快速獲得多個細胞的表征或篩選結果，以便根據生物細胞的固有異質性獲得統計上相關的結果。

在沒有微珠附著的情況下直接在細胞上施加光鑷是一種非接觸、非侵入性和光誘導細胞形變的理想方法。標準的光鑷包括高度聚焦的高斯激光束，能夠對微尺寸的透明物體施加皮牛頓級的光學力，以進行光捕獲和操控[14]。光鑷的光學力可分解為兩個分量，即，光學梯度力將高折射率的物體吸引到光場強度最高的光束腰部中心，散射力則將物體沿著縱向光束傳播方向。對于高度聚焦的激光束，縱向方向上的光學梯度力分量可以平衡散射力，從而形成常規的單激光束鑷子。

可以使用雙光鑷來使細胞形變，通過在細胞的兩端直接施加兩個平行傳播的聚焦激光束，沿兩個光束的分離方向機械拉伸細胞。另一類型的光學細胞伸展術包括兩個從兩條光纖發出的對向傳播的發散光束，其中細胞被光學捕獲并沿兩個激光束的縱向拉伸[16]。

作為研究細胞機械性質的一種有吸引力的工具，微流體技術已經獲得了越來越多的研究興趣。微流體裝置包含的微流體通道通常在微米和毫米級別，帶有入口和出口以與外部環境連接，在其中可以精確控制和研究流體和生物樣品[17]。微流體裝置用于生物細胞分析的一個優勢是通過使用流體連續進行細胞樣品遞送而實現的高表征通量。微流體設備的另一個吸引人的特點是分析所需的體積小，這對實驗芯片應用很有吸引力。微流體裝置的其他優點是成熟的制造工藝和材料。大多數微流體器件都是采用微電子工業采用的成熟的光刻方法制造的，從而可以實現精確且可重復的制造過程。用于制造微流體通道的材料通常是透明的，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或玻璃，可以進行光學成像進行細胞分析。