基于核酸表面标记和微流控芯片平台的细胞研究

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1、基于核酸表面标记和微流控芯片平台的细胞研究（申请清华大学理学博士学位论文）培养单位：化学系学科：化学研究生：何子怡指导教师：林金明教授二○一七年四月DevelopmentofcellanalysisplatformsbasedonDNA-mediatedcellsurfaceengineeringandmicrofluidicchipsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilo

2、sophyinChemistrybyHeZiyiDissertationSupervisor:ProfessorLinJin-MingApril,2017摘要摘要细胞，作为生物体的基本组成单元，了解其组成成分，探索其生命活动，研究其结构功能，对于人类认知与掌控生物体生命活动的基本规律有着十分重要的意义。对目前的细胞研究而言，模拟细胞的生物微环境，原位、实时监测细胞的生理过程和分子变化，实现对细胞内含物和分泌物的高灵敏度、高选择性分析，既是其急需要解决的重要问题，也是其重要的研究和发展方向。基于此，在本论文中，我们以核酸细胞表面标记为主要技术

3、手段，结合质谱分析和微流控芯片平台，实现对细胞内分子表达水平的原位分析，对细胞重要生理过程的实时监测，和对细胞间相互作用的模拟研究，为细胞研究中的重要问题提供新的解决方法和新的研究思路。首先，我们对细胞研究的现状和需解决的问题进行了分析，并着重综述了核酸技术、质谱分析和微流控芯片技术在细胞研究领域发挥的重要作用和取得的突出进展，以论证我们论文思路的研究意义和可行性。其次，我们基于核酸标记和扩增技术，结合基质辅助激光解吸质谱（MALDI-MS）分析，实现对细胞表面糖类的原位、多组分分析。该方法拓展了质谱标签技术，将难以检测的糖类转换为DNA进

4、行检测，不仅可以进行原位的细胞分析，同时可基于核酸的扩增能力实现信号放大，提高分析的灵敏度。该方法可应用于研究细胞在多药耐药状态和药物作用下糖类表达的变化情况，并通过质谱成像研究糖类在组织中表达分布情况。接着，我们进一步利用细胞表面核酸标记技术，结合微流控芯片平台，模拟细胞的流体力学微环境，并实现对流体剪切力作用下细胞内吞这一重要生理过程的原位、实时监测。该平台可用于系统性地研究流体剪切力对于细胞内吞作用的影响，为深入研究细胞的力学微环境和力学信号转导提供新的方法和思路。最后，我们以脑胶质瘤的血管生成过程为研究对象，在微流控芯片上建立了胶质

5、瘤细胞和内皮细胞的共培养体系；并利用细胞表面核酸标记技术，构建基于核酸适配体的细胞表面传感器，实现对细胞间相互作用过程中内皮细胞所处环境信号分子含量的原位、实时监测。该方法有助于将内皮细胞的行为与信号分子的变化相对应，实现对血管生成过程中内皮细胞迁移行为的深入研究。关键词：细胞研究；核酸标记；细胞表面；微流控芯片；质谱分析IAbstactAbstractCellsarebasicstructuralandfunctionalunitsoflivingorganisms.Understandingthecomposition,structur

6、eandfunctionofcells,andexploringcellularactivities,arequiteimportantforthecognitionofactivityrulesandphenomenaoflife.Cellshavesmallsize,lowamountofcontentsanddiversespecies.Andinorganisms,cellsarelocatedincomplexmicroenvironmentsandsubjectedtomultiplecuesthatvaryintimeands

7、pace,includingphysicalandbiochemicalfactors,mechanicalforces,andinteractionswithextracellularmatrix(ECM)andothercells.Therefore,itishighlyimportantanddesirabletodevelopadvancedtechnologiesthatenableprecisecellmanipulation,physiologicallyrelevantmicroenvironmentsimulation,a

8、swellashighsensitive,selective,andreliablecellanalysis.Inthisthesis,basedontheDNA-mediate