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細胞是所有生物體的基本功能單元。目前對於單個細胞機理的瞭解仍處於起步階段。由於缺乏有效的細胞操作工具能夠在微米╱納米級精度對細胞進行探測、測試和控制操作,令細胞研究受到了很大的制約。


孫東教授和他的光鑷細胞作業系統

在這項研究中,我們開發通用的細胞操作工具並應用於細胞屬性的研究。通過集成了機器人技術、光學鑷子以及微流結構設計的複雜細胞測試系統的開發,整個細胞工具以及功能測試將得以實現。早在幾十年前,機器人技術就被證實為有效的操作工具。最近,機器人技術更是與微流技術相結合運用於MEMS器件的設計。光學鑷子作為一種新興的技術是利用高度集中的低功率雷射光束捕獲和移動微╱納米級大小的懸浮物體。光學鑷子對於研究具有顯著醫學效用的非貼壁細胞的生物力學特性有特別的優勢。將光學鑷子結合到機器人輔助作業系統當中,利用光學鑷子的特性可以對單個或多個細胞進行同時操作。這就為在個別細胞進行探測、測試和控制開闢了一條新的道路。

如圖中所示為細胞作業系統。它適用於細胞的各種操作,例如細胞拉伸、細胞運輸、細胞分類、細胞粘附測試和細胞融合。這樣一個自動化的系統,通過使用視覺回饋可以高度可重複的對細胞進行測試。當其他相關的研究工作都局限於手動操作時,能夠實現高度的可變性顯得尤為重要。能夠進行高度可重複的測試對於取得一致的研究結果是非常重要的。這套系統還允許同時對多細胞進行測試以表徵細胞的特性。設計以MEMS為基礎的具有制動閘門的微流體通道,可以對含有懸浮細胞的流體進行控制,從而對多個細胞進行定位與處理。控制方法也將被用來控制細胞的運動,並同時對多個細胞進行測試和處理。
 

光學鑷子機器人作業系統

作為一個應用實例,此套細胞作業系統被用於造血細胞功能機理的探測。造血過程是一個高度守衡而且重要的過程。它是通過極少數造血幹細胞的持續自我更新和分化得以實現。造血幹細胞失常的調節過程將導致嚴重甚至危及生命的疾病,包括急性髓系白血病(AML)。AML是成人癌症中最致命的之一,每250人中就有一人受其影響。只有30%的患者能夠通過傳統的化療和骨髓移植得到治癒。目前,由香港城市大學孫東教授帶領的科研團隊正在與香港大學醫學院進行這方面的合作研究:(1)探測造血細胞的力學生物屬性,通過細胞拉伸探測細胞的畸形分化。(2)通過細胞粘力測試,探測調節造血細胞和基質細胞之間相互作用的分子機制。

這套通用的研究工具將允許研究人員對許多感興趣的生物細胞進行測試和表徵。實現了機器人自動化控制的光學鑷子將創建一個標準的實驗框架。這將有利於以相同的方式同時對多個細胞同時進行各種實驗。利用單個細胞的表徵為疾病機理的探究會提供了特有的見解,這一點是用整個細胞組織來進行研究無法獲得的。


孫東教授指導學生使用光鑷作業系統


孫東教授
香港城市大學
機械及生物醫學工程學系
medsun@cityu.edu.hk



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