聚焦科研 | 浅谈细胞力-电耦合分析仪
发布时间：
2024-04-11
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新闻资讯
科研团队负责人介绍
黄建永
北京大学工学院研究员，博士生导师，国家级人才计划青年项目入选者，北京大学“博雅青年学者”，宝钢优秀教师奖获得者。近五年主持和参与国家和省部级科研项目近20项，已发表SCI期刊论文100余篇，包括Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials等国际权威期刊，申请国际PCT专利3项、获得授权国家发明专利23项，获批软件著作权1项。
研究工作面向人民生命健康，综合运用力学、生物医学、材料学和先进制造相关的技术手段，在微观-宏观跨尺度层面开展生物力学与医学工程、实验力学和生物材料相关的前沿交叉学科研究，突破了细胞力学表征与调控技术瓶颈，发展了细胞（细菌）与胞外基质力学相互作用实验体系，开发了系列新型生物功能材料，探索了新的诊疗方法和技术，为药物筛选、疾病诊治、组织工程与再生医学等相关研究提供了新的思路、方法和工具。
随着人类生活方式的改变和环境因素的复杂化，癌症已成为全球范围内危害人类健康的首要杀手之一。其侵袭扩散的特性不仅为临床治疗带来巨大挑战，也是导致患者死亡率居高不下的关键因素。体内癌细胞的侵袭扩散不仅涉及复杂的生物化学信号转导机制，也与基质微环境的物理力学特性息息相关。近年来，随着研究的深入，人们逐渐认识到细胞对空间维度的感知和响应在调控其功能和行为方面具有至关重要的作用。传统的二维细胞培养方法虽然在一定程度上推动了癌症研究的进展，但其难以完全模拟体内肿瘤细胞的复杂三维特性。相比之下，三维基质培养技术能够更真实地反映体内细胞的生理微环境，为深入研究肿瘤细胞的侵袭迁移特性提供了有力的工具。因此，通过探究肿瘤细胞在三维基质中的侵袭迁移特性，并准确评估抗肿瘤药物对细胞三维侵袭迁移的抑制能力，将为制定更为精准的治疗方案提供理论支持，具有广阔的临床应用前景。
化疗是癌症治疗的重要手段，但疗效常因个体差异而异。个性化药物筛选体系应运而生，旨在指导合理用药、降低副作用，实现精准治疗，并加速新药研发。同时，新药研发是资金密集、周期长的系统工程，涉及药物发现、临床前研究和临床研究三个阶段。在药物临床前阶段精准评估药物对细胞三维侵袭迁移的抑制效能，对于降低研发成本、提高成功率至关重要。综上所述，深入研究肿瘤细胞的三维侵袭迁移特性及药物抑制效能，对于提高癌症治疗效果、推动新药研发具有重要意义。这不仅是当前癌症研究领域的重要课题，也是未来医学发展的重要方向。
北京大学南昌创新研究院细胞力-电耦合分析仪项目组致力于细胞力-电耦合分析仪的研发，旨在实现细胞三维侵袭迁移的高通量、实时无标记定量检测与表征。通过优化叉指电极电阻抗检测性能、制备阵列化检测芯片，结合3D打印技术设计细胞培养腔室，突破传统细胞阻抗检测方法的局限性，提升通量并实现对细胞三维侵袭迁移的有效检测。此外，项目组还积极研制温湿度、二氧化碳控制模块、细胞无菌培养模块等功能化模块，开发相应的后处理软件，有效集成各软硬件功能模块，构建适用于细胞长时间培养与监测的实验平台，实现细胞复阻抗信号的高通量采集与实时无标记处理分析。在分子生物学层面，项目组将建立细胞侵袭迁移与复阻抗谱之间的定量关系，标定不同类型细胞的复阻抗谱，并与三甲医院合作，验证设备在肿瘤药物筛选中的应用可行性。同时，探索不同物理力学微环境对肿瘤细胞侵袭迁移能力的调控作用。
项目组采用光刻工艺和湿法刻蚀技术，制备集“力”和“电”信号于一体的力-电耦合高通量阵列芯片系统，通过特定工艺形成ITO叉指电极阵列及细胞培养腔，模拟体内细胞外基质微环境。在此基础上，对芯片表面功能化处理并接种肿瘤细胞，构建三维培养系统，利用激光共聚焦显微镜和阻抗分析仪实时监测细胞侵袭过程。同时，研发可调控理化参数的三维仿生基质，探究细胞外基质因素对癌细胞侵袭的影响，为癌症治疗提供重要数据支撑，推动药物筛选与癌症治疗领域的发展。
目前，项目组已经开发出新一代工程样机，在此基础上，项目组正加快构建设备开发生态圈，以引入成熟的模块化技术，加速分析仪的产品化。下一步，项目组将不断推进研究，积极与市场接洽，从而为癌症的预防和治疗提供更加精准有效的策略。
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