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微纳米生物芯片结合三维动态成像在原发性肝癌和结直肠癌肝转移细胞侵袭的分子筛选、机理研究及临床中的应用推荐首席：刘雳宇

研究员中科院物理所软物质与生物物理实验室参加单位:中科院物理所

北京大学医学部2012.06.04汇报提纲立项依据关键科学问题研究内容预期目标总体研究方案研究队伍总体情况工作基础和研究条件立项依据当今癌症活体外研究的瓶颈

癌细胞转移是癌症致命性的根本原因。

研究癌症的主要模式为：发现现象活体内进行验证体外模型进行研究是否存在技术瓶颈和理念的局限,需要在物理方法上突破?Transwell侵袭实验

Boyden

ChamberMatrigel琼脂实验现有活体外研究肿瘤细胞转移的方法在人体内部，肿瘤的生长和转移是三维的微环境肺癌细胞在二维琼脂平盘中生长不能模拟模拟肿瘤细胞三维生长条件的新平台肺癌肿瘤从2010年始，我们开始研究三维微型结构，尝试模拟肿瘤细胞增殖、发展所必需的基本条件和环境。三维微型高台（红色）结构中形成的肿瘤细胞的三维细胞团模拟出类似肿瘤的三维结构我们希望：结合三维微纳米结构和微流体芯片，模拟肿瘤细胞转移的过程国际间癌症生物物理的发展现状从

2009

年

底

，

美

国

国

家

癌

症

研

究

所

（

National

CancerInstitute）投入1.5亿美元，成立了12个肿瘤物理研究中心（PSOC）目标：希望将物理技术与生物科学融合，探索当前癌症研究中主要问题和障碍的解决办法。利用微纳米加工技术建立新型研究平台进行癌症生物物理研究的中心：普林斯顿大学康奈尔大学肿瘤物理研究中心主页选择原发性肝癌和结直肠癌肝转移作为实验模型

肝癌的死亡率依然很高。

结直肠癌肝转移病例是近十年显著出现,每年发病率都以4.2%的速度增加。2/3以上结直肠癌病人死于肝转移。

研究团队与北京大学医学部及附属肿瘤医院合作。它们在原发性肝癌和结直肠癌肝转移的研究具有很好的研究基础。关键的科学问题亟待解决的科学难题一、如何在活体外建立模拟癌症三维空间转移的物理模型？三维微纳米结构，模拟肿瘤转移的基本环境结合微流体技术控制环境条件，模拟转移的三维空间过程引进动态三维成像平台，长期实时追踪细胞群的生物形态和生物行为。二、如何筛选及验证与原发性肝癌和结直肠癌肝转移相关的分子？利用三维癌症转移模型，活体外筛选与肿瘤转移相关的分子活体外模型和活体内动物实验结合，多重验证筛选出的分子研究内容和预期目标主要研究内容三维微纳米生物芯片技术模拟活体外肿瘤三维动细胞侵袭和转移态成像的实验和观测平台预期目标预期目标

建立活体外模拟肿瘤细胞转移的基本物理模型。

利用该模型筛选和研究与原发性肝癌和结直肠癌肝转移相关的分子，并阐明其分子机制。高水平研究论文、专利，获得在我国癌症生物物理研究领域自主创新的研究成果。总体研究方案三维物理模型模拟肿瘤细胞转移肿瘤细胞转移的基本过程细胞外基质脉管远端转移灶趋化因子诱导原始肿瘤部位转移部位50

um癌细胞群成纤维细胞三维衍架结构三维微型衍架用于支撑和固定细胞外间质组织注入琼脂细胞外基质原始肿瘤部位趋化因子诱导2um三维物理模型模拟肿瘤细胞转移细胞外基质原始肿瘤部位趋化因子诱导三维物理模型模拟肿瘤细胞转移细胞外基质低趋化因子高趋化因子原始肿瘤部位趋化因子诱导三维物理模型模拟肿瘤细胞转移脉管远端转移灶转移部位三维物理模型模拟肿瘤细胞转移脉管微细孔（2微米）用以传递营养和供细胞入侵人造脉管远端转移灶转移部位三维物理模型模拟肿瘤细胞转移三维物理模型模拟肿瘤细胞转移筛选验证与转移相关的分子分离转移性和非转移性细胞筛选分子验证分子动物模型验证评估生物芯片再次验证筛选出的蛋白非转移性肿瘤细胞转移性肿瘤细胞沉默蛋白高表达蛋白非转移性肿瘤细胞转移性肿瘤细胞从动力学角度验证肿瘤细胞的侵袭性我们最新的研究发现：肿瘤细胞侵袭细胞外间质时，会对其产生收缩力（破坏力）——力学生物学的前沿问题开创性的想法：利用物理模型研究肿瘤细胞在细胞外间质的三维空间力，定量研究肿瘤细胞的转移能力及其分子机制的关系。细胞接近收缩力造成明显的颗粒位移微型荧光颗粒胶原蛋白细胞侵袭力的物理模型1i,ijj.

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-

1

F1-

2n将胶原蛋白考虑成一种有效弹性模量的材料。其被选定点的位移与其受到的外力关系为：G:有效剪切模量V:泊松常数(

)

k

k

3kkk

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-

4n)+16pG(1-n)

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f

w因此细胞“m”施加的力Fk

所造成的参考颗粒“a”的移动可表征为：细胞m将细胞对外的外力简化为6个方向的力4fmf

m31f

m2f

m而对于施加力的细胞：研究队伍总体情况推荐项目首席科学家概况刘雳宇2004年，于中国科学技术大学获学士学位；2008年，于香港科技大学获博士学位；导师：温维佳教授2008-2012， 在美国普林斯顿大学物理系工作，任博士后研究员；导师：Robert

H.

Austin教授2012至今，中国科学院物理研究所任百人计划特聘研究员。推荐项目首席科学家概况主要从事基于微纳米加工及癌症生物物理的研究：微流体芯片研究，曾被凤凰卫视，香港大公报、美国纳米科学、新科学家等国际杂志和媒体报道。癌症生物物理研究，曾被美国国家癌症研究所，美国国家科学院院刊报道曾荣获东京工业大学青年科学家奖。并应邀做过多次国际性的学术报告，包括美国物理年会特邀报告。凤凰卫视报道截图奖状代表性论文L.

Liu,

B.

Sun,

K.

Aw

Yong,

R.

Getzenberg,

H.

Stone

and

R.

Austin,Proc.

Natl.

Acad.

Sci.

USA

108:6853–6856

(2011)L.

Liu,K.

Loutherback,

D.

Liao,D.

Yeater,

G.

Lambert,

A.

Estevez-Torres,

J.

Sturm,

R.

Getzenberg

and

R.

Austin,

Lab

Chip,

10,

1807-1813(2010)L.

Liu,

W.

Cao,

J.

Wu,

W.

Wen,

D.

C.

Chang

and

P.

Sheng,Biomicrofluidics,

2,

034103

(2008)L.

Liu,

S.

Peng,

W.

Wen

and

P.

Sheng,

Appl.

Phys.

Lett.

91,

093513(2007)L.

Liu,

S.

Peng,

W.

Wen

and

P.

Sheng,

Appl.

Phys.

Lett.,

90,

213508(2007)L.

Liu,

S.

Peng,

X.

Niu

and

W.

Wen,

Appl.

Phys.

Lett.,

89,223521(2006)L.

Liu,

X.

Niu,

W.

Wen

and

P.

Sheng,

Appl.

Phys.

Lett.,

88,

173505(2006)L.

Liu,

X.

Chen,

X.

Niu,

W.

Wen,

and

P.

Sheng,

Appl.

Phys.

Lett.,

89,083505

(2006)生物物理微流体芯片微细加工研究团队的骨干成员及分工合作李伟

物理学博士刘玉如分子生物学博士主要从事DNA和相关蛋白质与抗癌药物的作用机制研究该项目中负责生物物理实验平台的搭建和稳定性测试主要从事理论生物物理研究该项目中负责转移性肿瘤细胞在三维空间的动力学研究黄晶

免疫学博士主要从事肿瘤生物学研究

该项目中负责动物实验和临床验证李扬分子生物学博士主要从事分子生物学研究

该项目中负责分子机制的研究研究团队的骨干成员及分工合作刘雳宇负责三维生物芯片及三维动态生物成像平台的搭建李伟负责转移性肿瘤细胞在三维空间的动力学研究李阳负责负责分子机制的研究黄晶负责负责动物实验和临床验证刘玉如负责生物物理实验平台的搭建和稳定性测试研究团队的主要过往工作及国际学术影响力三维立体高台结构研究肿瘤细胞的侵袭性的研究，被美国科学院院刊

(PNAS）评价为“研究癌症转移性的一步重要突破”。癌细胞凋亡动态过程研究，该工作在应用物理（Applied

Physics

Letters）发表后，被选为杂志封面。在国内外首次报道肿瘤细胞产生免疫球蛋白，参与肿瘤细胞生长和转移。该项研究被评为2004年中国医药界十大新闻之一。研究条件研究条件北京大学人类疾病基因研究中心北京大学干细胞中心中科院物理所软物质重