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《中国科学技术大学》 2017年
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基于微流控芯片的中性粒细胞运动及趋化性研究

杨柯  
【摘要】:免疫细胞趋化性在免疫反应中发挥着重要作用,进一步开展免疫细胞趋化性研究具有十分重要的意义。微流控芯片可以生成精确可控的浓度梯度,是一种理想的免疫细胞趋化性研究工具。然而,在缺乏专业设备和技术人员的情况下使用微流控芯片非常困难,阻碍了微流控芯片在生物和医学研究领域中推广。本论文针对细胞趋化性研究领域所面临的一系列问题,开发了相应的微流控芯片,旨在为免疫细胞趋化性研究提供易于使用和实用的解决方案。首先,开发了一种集成细胞全血分离和细胞预富集功能的微流控芯片,可快速地从全血中筛选中性粒细胞,有利于提高实验效率和分析精度。通过检测中性粒细胞对趋化因子(N-formylmethionyl-leucyl-phenyl-alanine,fMLP)和慢性阻塞性肺病病人(Chronic obstructive pulmonary disease,COPD)痰液样本的趋化性验证了基于微流控芯片的全血分离方法。在此基础上,进一步设计了集成多区细胞校准和梯度生成功能的微流控芯片(Dual-Docking Device),使其具备中性粒细胞趋化性和细胞趋化性记忆效应实验研究的双重功能。研究结果支持在简单二维平面上使用偏向随机运动(bias-random-walk)描绘中性粒细胞趋化性,且证明了趋化性记忆效应不仅与趋化物化学浓度相关,而且与细胞"过去和现在"所经历的梯度环境有关。为进一步提高实验效率,我们开发了具有三个平行梯度通道的微流控芯片,该芯片允许在单一显微镜视野(10X物镜)中同时开展三组不同物理条件下的细胞趋化性实验,有利于节省时间成本、降低劳动强度,并保证了实验的真实性与可靠性。使用三通道微流控芯片研究了与慢性肾病相关的生物标志物成纤维生长因子 23(Fibroblast growth factor 23,FGF23),并首次阐述了 FGF23 影响中性粒细胞趋化性的过程,揭示了研究FGF23介导的中性粒细胞趋化性对研究疾病发病机理和制定相关治疗方案的重要意义。最后,针对当前细胞趋化性研究需要依托昂贵的显微镜且时间和实验成本较高等缺点,开发了基于微流控芯片和智能手机的细胞迁移运动研究专用实时成像系统。该系统集成了微流控芯片、活细胞成像、实验环境控制和数据分析功能,可快速、实时采集实验数据并实现自动化的分析,极大提高了细胞迁移实验的效率。总之,本论文研究成果为基于微流控芯片技术的细胞趋化性研究设备的开发提供了设计思想和实验依据,所开发的微流控芯片有望被广泛用于细胞趋化性实验研究。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q2-33

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