[发明专利]基于单细胞动态机械特性的药效评估方法

说明书

本发明涉及基于单细胞动态机械特性的药效评估方法，将单细胞看作是一个线性时不变系统，以机械刺激作为系统的虚拟输入，细胞在药物作用下连续时间的机械特性作为系统的输出，根据辨识得到的单细胞系统矩阵特征值对细胞的动态机械特性进行表征。根据表征空间中加药和未加药的细胞，以及给药过程中细胞的状态，可以实现基于单细胞尺度的药效评估。本发明可以表征空间中加药和未加药的细胞，以及加药过程中细胞的状态，建立细胞机械特性与细胞状态之间的关系，此外，与传统方法相比，大大缩短药物测试周期，可以实现基于单细胞尺度的药效评估。因此，在临床上基于单细胞尺度的药物敏感性测试领域具有重要的潜在应用。

技术领域

本发明涉及药效评估领域，具体为一种可以进行无创、无毒、免标记的单细胞尺度的药效评估方法。具体说是结合了微纳技术检测、系统科学、单细胞建模，用于进行单细胞尺度的药物敏感性测试和单细胞尺度的药效评估。在临床药敏测试领域具有重要的潜在应用。

背景技术

临床上，患者人群对化疗药物的耐药性和不同人对药物反应的异质性是当前化疗面临的严重问题。在临床实践中，往往在化疗前进行抗癌药敏试验、单细胞测序，结合多组学技术，为临床医生做出个体化用药提供参考。但是，传统的体外药敏试验方法在细胞群水平上进行，面临细胞数量需要求量大，程序冗长，由于涉及额外有毒试剂而导致的高假阳性率，并且不能检测到细胞群中的异质性。因此，有必要开发一种体外抗癌药物敏感性检测方法，能够准确评估个体患者对抗癌药物的敏感性，使用毒性较小或无毒的化合物，检测程序较短，并在单细胞水平上反映肿瘤的异质性。

已有研究表明：细胞的机械特性在细胞的发育和功能、人类的生理活动和疾病中起着至关重要的作用。细胞力学与细胞状态、功能和生命活动密切相关，癌细胞的力学特性影响细胞运动、粘附、转移、上皮-间质转化等.还有报道称，药物对细胞的作用通常会导致其结构变化，从而改变其机械性能。在某些化疗药物的作用下，重塑细胞骨架结构，并导致其机械特性发生变化。此外，药物作用下细胞表面的靶点的密度和与靶向药物之间的分子结合力也可以表征药物治疗效果。因此，对癌症细胞力学的研究可以促进对疾病病理过程的理解，并允许在单细胞尺度上评估癌症治疗中的药物疗效。

在众多细胞机械特性的检测技术中，原子力显微镜(AFM)，可以测量具有纳米级空间分辨率和毫秒时间分辨率的多功能细胞力学性能，具有独特优势。然而，大多数关于药物作用下活细胞的力学性能及其与细胞生理状态的关系的研究都是在单个时间点进行的，忽略了细胞生理状态和机械特性的动态演变。因此，在生物学相关的时间尺度(几个小时)内测量细胞力学性能的动态演变，对于更好地了解细胞经历的结构和功能变化，改进对癌症治疗药物疗效的预测，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以进行无创、无毒、免标记的单细胞尺度的药效评估方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于单细胞动态机械特性的药效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将单细胞表达为一个线性时不变动力学系统，构建基于输入和输出的单细胞动力学模型；

2)对于同一细胞，分别在未加药物作用和已加药物作用情况下，根据单细胞动力学模型的特征矩阵A对细胞的动力学变化进行表征；

3)根据动力学变化的表征进行单细胞尺度的药效评估。

所述单细胞动力学模型的输入为原子力显微镜的机械刺激，用阶跃函数表示，以实现对细胞的无毒、无损检测。

所述单细胞动力学模型的输出为连续时间的细胞机械特性。

所述单细胞动力学模型的输出为杨氏模量或多维粘弹性参数。

所述单细胞动力学模型如下：