基于微流控芯片的高通量细胞动态信号分析新方法研究

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基本信息

  • 批准号：
    31700746
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    24.0万
  • 负责人：
    陈鹏
  • 依托单位：
    华中科技大学
  • 学科分类：
    C0509.生物学过程与代谢
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The responses of cells to extracellular complex microenvironment is highly dynamic in time and space. How to reconstruct this process and analyze intracellular or intracellular signal transduction has been a major challenge in biophysical methods. In this project, by combining innovative microchannel design with external precision control, we propose novel high throughput microfluidic approachs for probing cellular dynamic signaling with high throughput and high temporal (millisecond) and spatial (single cell scale) resolution: a multichannel hydrodynamic gating for stimulating adherent cells and a high-throughput single cells dynamical trapping and releasing for suspension cells research, which can overcome the problem of traditional methods, especially the drawbacks in lack of precision for spatial and temporal control of chemical stimuli. In combination with optical molecular imaging, we further investigate the relationship between the dynamic responses of calcium signal and dynamic changes of GPCRs conformation. This project exhibits important scientific value in revealing the mechanism of signal transduction, and provides a theoretical basis and an innovative technological platform for drug screening.
细胞对胞外复杂微环境的响应在时间和空间上是高度动态的，如何重建这一过程并分析细胞内或细胞间的信号传递，一直是生物物理方法学上重大挑战，对于在细胞水平深度理解生命的调控机制具有重要科学意义。本项目提出基于微流控芯片的细胞动态信号分析新方法研究：借助创新微通道结构设计以及精密外部控制方式，提出针对贴壁细胞高通量多通道同步门控细胞刺激外环境操纵方法以及针对悬浮细胞的高通量循环单细胞捕获刺激释放方法。该方法具有高通量、高时间（毫秒）和空间（单细胞尺度）分辨等特点，克服了传统芯片方法溶液操纵能力弱、时空分辨率低、通量低等缺点。采用上述新技术，重点探讨G蛋白偶联受体构像动态变化、下游钙信号动态响应以及两者之间联系。本项目对生物物理、细胞信号转导和药理学等基础研究以及个体化医疗等应用领域具有重要意义，并促进生物物理学及相关交叉学科的发展与人才培养。

结项摘要

细胞在体内处于复杂的胞外微环境，比如众多生化因子，在空间分布上存在浓度梯度，且在时间上动态变化。因此，高保真且高通量在体外重建和模拟这种动态微环境，对于阐明生物系统的复杂性以及揭示细胞信号网络的动态机制和功能具有关键的科学意义。按照项目计划书的目标和计划，执行过程中完成了项目计划书中所列目标。首先，针对单细胞瞬时给药刺激，发展了一种新颖的气阀阱芯片，成功实现监测悬浮细胞内钙信号对药物刺激的响应；其次，建立了一种基于鞘流水力门控细胞传感器方法，高通量探讨了单细胞内动态钙响应；再次，提出了一种单细胞循环捕获刺激策略，实现了高通量单细胞组学研究；最后，探讨了一种同步多水力门控联合浓度梯度发生器的新方法，成功实现了一系列不同振幅（浓度梯度）和不同频率（不同的刺激时间和缓冲时间）的化学波形诱导下单个贴壁细胞内钙信号响应。围绕该项目共发表SCI收录论文24篇，其中第一作者或通讯作者论文6篇，申请4项中国发明专利，并参与培养3名研究生。

项目成果

期刊论文数量（24）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（4）
Multichannel Synchronous Hydrodynamic Gating Coupling with Concentration Gradient Generator for High-Throughput Probing Dynamic Signaling of Single Cells
多通道同步水动力门控耦合与浓度梯度发生器，用于高通量探测单细胞动态信号
  • DOI：
    10.1021/acs.analchem.0c02746
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Analytical Chemistry
  • 影响因子：
    7.4
  • 作者：
    Guo Yiran;Gao Zhaolong;Liu Yinan;Li Shunji;Zhu Jinchi;Chen Peng;Liu Bi-Feng
  • 通讯作者：
    Liu Bi-Feng
Micromixers and their applications in kinetic analysis of biochemical reactions
微混合器及其在生化反应动力学分析中的应用
  • DOI：
    10.1016/j.talanta.2019.120136
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Talanta
  • 影响因子：
    6.1
  • 作者：
    Liu Chao;Li Ying;Liu Bi-Feng
  • 通讯作者：
    Liu Bi-Feng
A dual-stimulation strategy in a micro-chip for the investigation of mechanical associative learning behavior of C. elegans
用于研究秀丽隐杆线虫机械联想学习行为的微芯片中的双重刺激策略
  • DOI：
    10.1016/j.talanta.2020.120900
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Talanta
  • 影响因子：
    6.1
  • 作者：
    Wang Yu;Wang Xixian;Ge Anle;Hu Liang;Du Wei;Liu Bi-Feng
  • 通讯作者：
    Liu Bi-Feng
Reduced graphene oxide foam templated by nickel foam for organ-on-a-chip engineering of cardiac constructs
以镍泡沫为模板的还原氧化石墨烯泡沫用于心脏结构的片上器官工程
  • DOI：
    10.1016/j.msec.2020.111344
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Materials Science and Engineering: C
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Wang Yachao;Dong Yue;Chen Peng;Chen Rui;Li Yiwei;Du Wei;Liu Bi-Feng
  • 通讯作者：
    Liu Bi-Feng
Agarose-based microwell array chip for high-throughput screening of functional microorganisms
用于功能微生物高通量筛选的琼脂糖微孔阵列芯片
  • DOI：
    10.1016/j.talanta.2018.08.090
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    Talanta
  • 影响因子：
    6.1
  • 作者：
    Zhang Leicheng;Chen Peng;Zhou Zhuoyue;Hu Yawei;Sha Qiuyue;Zhang Houjin;Liu Xin;Du Wei;Feng Xiaojun;Liu Bi Feng
  • 通讯作者：
    Liu Bi Feng

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    陈鹏
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  • 通讯作者：
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  • 通讯作者：
    杨坤
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  • DOI：
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  • 作者：
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  • 作者：
    王峰;陈鹏;毛圣成;张跃飞;张泽;韩晓东;WANG Feng1;CHEN Peng1;MAO Sheng-cheng1*;ZHANG Yue-;2.Department of Materials Science;Zhejiang Univers
  • 通讯作者：
    Zhejiang Univers

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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