【2017海学联】高通量定量自动显微注射系统

发布时间:2017-3-26 16:44:00

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项目简介

       显微注射是用针尖极细(0.1-0.5um)的玻璃微量注射针插入细胞后,将外源物质直接注射到细胞中的精密操作技术。

显微注射典型的应用包括(1)将外源DNA注入刚孵化的受精卵创造转基因动物,(2)将供体细胞核移植到去细胞核的受体卵细胞中生产克隆动物,(3)将修改后的胚胎干细胞注入动物胚泡中研究基因表达,(4)实施体外人工受孕创造试管婴儿等。显微注射属于用物理方法改造细胞的范畴,比起用化学方法和生物方法改造,优点在于高准确率、高效率和低毒性,然而该技术对操作精度和稳定性要求极高,故往往通过精密机器人辅助实验人员进行注射。当下已有的显微注射系统,无论是商业产品,还是各实验室原型机,均无法同时满足以下要求:(1)高通量、短时间内注射大批量细胞,(2)定量、注射量精确可控,(3)小型细胞、直径25um左右的人体细胞为例,(4)自动化、中途仅需极少人工干预便可自动识别并注射完所有细胞。

本实验室针对上述要求研发了一套机器辅助贴壁细胞定量显微注射系统和相应的细胞吸附微流控芯片。该系统由精密机器臂和光学显微镜作为基础,配有一根显微注射针,待细胞载入到微流控芯片以后,以阵列的形式排布,实验人员可操作机械臂控制下的显微注射针对细胞进行逐一定量注射。该系统亦配备有2D图像识别技术,在细胞分布均匀的情况下,可实现全自动注射和人工导引半自动注射。本实验室已经和香港若干前沿生物课题组合作,用于日常细胞注射实验,比如癌细胞基因改造、胚胎干细胞基因修饰等。                                                                                                                                     

实验室计划重新设计微流控芯片和注射系统:(1)改配相差显微镜,提高细胞分辨能力和物镜稳定性;(2)增设多个注射模块,一根注射针与其控制臂作为一个注射模块,更新位移反馈控制,减少原系统中人工操作的比例;(3)设计新的微流控芯片,采用“浸入-提出”的芯片捕获细胞思路,实现芯片上细胞捕获、注射和回收,减少中间转移过程、降低受污染概率;(4)添加3D图像识别功能,初步考虑采用Richardson-Lucy算法,去卷积显微镜在高度方向上快速移动而获得的一系列Z轴堆叠图像,由此得到细胞中心的高度坐标;(5)引入人工智能,细胞形态各异,注射针靠近细胞、插入细胞前后、注射以后,均会发生多样的体积变化,实验人员需要一定时间训练方可熟练分辨,人工智能将辅助实验人员判断。上述5点的实现,将基本解决自动化显微注射的困难,可扩大细胞注射规模(细胞存活时间内注射效率大幅提升)。

生物研究愈发侧重于基因层面,无论是转基因动植物、生物克隆、癌细胞基因修饰,乃至最近引起热议的英国三亲婴儿,对于可靠、精确和高通量的细胞物质注入均提出了较高的要求和迫切的需求。自动化显微注射系统是解决这些问题的极佳手段,不仅可减轻实验人员疲劳,提高注射实验效率,还可以提高细胞存活率,加速实验进程,未来会被广泛应用。

专家团队介绍

 

香港申请者孙东教授早年毕业于清华大学精密仪器与机械学系,现担任香港城市大学机械与生物医学工程系讲座教授、系主任。孙东教授已从事多年机器人控制系统及微纳米细胞操作研究,特别在机器人辅助细胞操作研究上有着深厚的造诣。他是国际上最早应用机器人和光镊技术对生物细胞进行微纳米操作和生物力学特性分析的几位学术带头人之一。他早期的工作是研究如何将机器人与自动化技术用于细胞注射以提高操作精度及效率,他的团队目前的研究方向集中在结合机器人、光镊和微流体技术对细胞进行微纳米操作从而深入探索单细胞功能机理。细胞操作包括细胞拉伸、细胞移动、细胞分离、细胞融合、细胞注射,以及细胞与细胞间的各类交互等。孙教授目前担任香港几个相关课题的负责人,通过与医学院的深入合作,对干细胞、癌细胞及各类相关疾病,从生物医学工程的角度对单体细胞进行深入的研究。孙教授早于2003年起在香港科技园创立高科技公司,从事运动控制及自动化产品的设计和推广,两次获得香港工业奖的殊荣。孙教授自2000年加入香港城市大学以来,作为项目主要负责人先后主持完成了超过30个研究项目,获得了5千万的研究经费。孙教授发表2部著作,10个受邀著作章节,在权威期刊和会议发表超过340多篇学术文章,并拥有八项专利。他获得多项IEEE期刊和会议最佳论文奖,并担任多个国际著名学术期刊的编委,包括IEEE Transactions on Robotics IEEE Transactions on Mechatronics。孙教授于20072008年连续两届当选IEEE香港区机器人、自动化及控制系统联合分会的主席,并作为大会主席组织多个大型国际学术会议,如IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)IEEE International Conference on NanotechnologyAdvanced Intelligent Mechatronics (AIM)等。2014年孙教授当选IEEE Fellow2016年出任国家教育部学部委员。

项目所属阶段

 

原系统运作成熟;新系统正在搭建,已初步测试新的微流控芯片,已开始多个注射模块的可行性研究,已开始测试3D图像算法的可行性研究

 

希望寻求的合作企业或企业方向

合作方式

资金需求

合作研发

直接产业化

风投

双方投入

生物相关精密仪器企业,细胞、基因研究相关单位