[发明专利]一种用于活细胞力学性能高通量精密检测的装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于活细胞力学性能高通量精密检测的微流控装置，用于检测活细胞力学性能的微流体芯片置于光学显微镜上方，微流体芯片内设置并列的微通道用于对细胞进行挤压，并且设置分流通道保证挤压压力基本不变；一种用于活细胞力学性能高通量精密检测的方法，包括以下步骤：S1：细胞弹性模量的测量方法；S2：微通道压差控制方法；该装置及方法不但可以快速检测大量活细胞的弹性模量，而且操作简单，高度自动化。

技术领域

本发明涉及细胞生物学领域，特别是一种用于活细胞力学性能高通量精密检测的装置及方法。

背景技术

细胞的弹性模量影响着细胞的增值、分化、迁移及凋亡等各个方面。细胞弹性模量的异常有可能引起细胞功能的改变，甚至导致疾病的发生。例如，人类在感染恶性疟原虫时，人体内红细胞弹性模量会增加。变硬的红细胞难以通过狭窄的毛细血管将导致血流不畅，最终可能导致人的昏迷甚至死亡。另外，在干细胞疗法中，其安全性和有效性受到诸如细胞堵塞毛细血管引起肺栓塞和植入前细胞活性和纯度不够高等多种因素的制约，而这些问题都与细胞弹性模量息息相关。因此，研究细胞的弹性模量可用于定量反映细胞的健康状态，并有望用于疾病的快速诊断和治疗。

对细胞弹性模量的测量研究已经持续了半个世纪，诸如光学、磁学和流体力学等技术都已经被应用于细胞力学性能研究。使用最为广泛的传统测量技术是微量吸管(Micropipette Aspiration)。该技术利用通过玻璃毛细管抽吸球形细胞，基于细胞变形数据获得细胞的弹性模量。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy)被认为是目前测量单细胞弹性模量最为精确的技术。该技术使用精密的悬臂自由端按压细胞，使细胞表面产生局部变形，并根据变形和所需的力获得细胞的弹性模量。但原子力显微镜设备价格高昂，操作复杂，测量效率也非常低。除此之外，传统的细胞弹性模量测量技术还有磁性扭曲细胞计数法(Magnetic Twisting Cytometry)、光镊(Optical Tweezers)和剪切流技术(ShearFlow)[8]，但这些技术也都存在相应的问题，如光镊技术中挤压力的大小校准问题。

上述传统测量技术均存在一些不足，如通量较低，设备昂贵或操作繁琐。因为细胞个体差异较大，应该尽量测量大量细胞以获得具有统计学意义的可靠数据。微流控技术因其可以高通量处理细胞，具有活细胞弹性模量高通量测量的潜力。目前已经出现以微流控技术测量细胞弹性模量的相关研究。流动诱导变形(Flow induced deformation)技术是利用微通道中的剪切流来引起细胞变形并估算其弹性模量。Gossett等人使用该技术计算细胞的可变形性并达到了约为2000个细胞每秒的通量。Otto等人开发的实时细胞变形技术同样使用该技术定量计算细胞的弹性模量并达到了约100个细胞每秒的通量。压缩(Compression)技术在微流体芯片中使用可变形膜挤压细胞并使之产生变形从而获得弹性模量数据。Hohne等人使用该技术测量了杨氏模量在102-105Pa范围内细胞的力学性质。此外，微量吸管(Aspiration)技术与传统测量方法中的微量吸管相似，使细胞在微小通道中被挤压变形从而获得弹性模量数据。该技术在微流体装置中结合显微成像技术记录细胞变形过程，从而获得细胞的弹性模量。Guo等人开发了微米级的锥形收缩通道使细胞变形通过并以此来估算细胞的变形能力。Kim等人在微流控芯片中使细胞通过多个并列的漏斗形收缩微通道并发生变形，进而获得细胞的弹性模量。

综上所述，与本发明相比，背景技术具有明显的不足。简要概括如下：

1)原子力显微镜的弹性模量测量虽然精度高，但通量很低，难以获得大量具有统计学意义的数据。基于流动诱导变形的实时可变形性细胞术(Real-time deformablecytometry)虽然通量很高，但存在诱导力有限，无法使较硬细胞变形的缺点，而且需要高速相机捕捉细胞变形数据。

2)现有微流控装置虽然能平行处理多个单细胞，但是没有对细胞变形通道两端压力差进行精密测量和控制，并且可能出现所有收缩通道都被堵塞从而导致压差发生剧烈变化的情况，这些都会使细胞弹性模量的计算值有巨大误差。

发明内容