[发明专利]一种用于体外自动化提取目标细胞线粒体的方法

说明书

本发明公开了一种用于自动化提取目标细胞线粒体的方法，属于微纳机器人辅助控制系统，实现自动化细胞位姿操控和二维细胞活检操作。本发明包括：通过接连荧光显微镜的CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出待提取目标线粒体的位置和姿态角；通过光镊处于不同的操作模式分别实现细胞位置和姿态角的精确控制；通过微流控芯片外接泵加负压，使得目标细胞牢牢固定在微流控芯片通道中保持位姿不变；利用视觉反馈控制策略将玻璃微管尖端移动到待提取目标线粒体附近；通过玻璃微管外接的泵施加的负压将待提取线粒体抽取出目标细胞。

技术领域

本发明属于微纳机器人辅助控制系统，尤其涉及一种用于体外自动化提取目标细胞线粒体的方法。

背景技术

单细胞层面的生物分析能够获得细胞异质性，近几年获得广泛的关注。细胞活检作为一项单细胞层面活检技术，通过提取和分析亚细胞层面的组织或细胞器达到疾病诊断和治疗。因此必须开发能够操纵和提取细胞器及细胞内组件的高度精确的微操作工具，以利于新的基于单细胞的医学疗法的快速发展，从而促进对细胞动力学、细胞组分功能和疾病机理的深入理解。

在过去的几十年中，已经开发了多种用于细胞内层面操作的微/纳米操纵工具，如基于扫描离子电导-显微镜的纳米活检系统，AFM，碳纳米管，采样探针，半封闭微芯片等。这些操作系统和工具普遍采用开环手动方法实现，对操作熟练度要求很高，需要花费大量的时间进行操作练习培训，实验可重复性差，操作精度低。细胞活检操作任务，如定位微管尖端相对于细胞的位置，刺穿细胞后在细胞内特定位置定位玻璃微管，并从细胞中提取微量组织，非常繁琐和费时。

发明内容

本发明提供了一种用于体外自动化提取目标细胞线粒体的方法，建立一套基于玻璃微管和光镊的微纳机器人控制系统，实现自动化细胞位姿操控和二维细胞活检操作。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于体外自动化提取目标细胞线粒体的方法，包括以下步骤：

(1)通过接连荧光显微镜的CCD相机采集细胞图像，通过图像处理算法识别出待提取目标线粒体的位置和姿态角；

(2)通过光镊处于不同的操作模式分别实现细胞位置和姿态角的精确控制；

(3)通过微流控芯片外接泵加负压，使得目标细胞牢牢固定在微流控芯片通道中保持位姿不变；

(4)利用视觉反馈控制策略将玻璃微管尖端移动到待提取目标线粒体附近；

(5)通过玻璃微管外接的泵施加的负压将待提取线粒体抽取出目标细胞。

以上所述步骤中，步骤(1)中，步骤(1)通过利用细胞特征点在显微镜像平面xy上的投影变化实时获取目标细胞的姿态角；通过荧光显微镜外连的CCD结合以下图像处理算法实时获得细胞的姿态角，所述算法为：

其中，长轴L，短轴l，角度θ和φ分别表示细胞内特征点的经度和维度，表示长轴L和xy平面的夹角，L_xy表示长轴在xy平面上的投影距离；表示细胞质心在xy平面上的投影向量，φ角是向量相对于x轴的夹角。

步骤(2)所述目标细胞的旋转姿态角精度小于2度，位置误差小于0.5微米；光镊不同的操作模式为利用受控的光镊作用在细胞旋转模式，使得目标细胞旋转，使得待提取目标线粒体靠近玻璃微管尖端一侧；或利用受控的光镊作用在细胞平动模式，使得目标细胞平动到微流控芯片的通道。

步骤(3)通过设计微流控芯片通道的尺寸实现细胞位姿的固定，避免细胞器提取过程中细胞位姿变动。