CN102860845A - 活体动物体内的细胞的捕获、操控方法及相应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕获活体动物体内的细胞的方法，该方法包括如下步骤：使一束激光形成光镊，所述光镊是指能够与微粒发生动量交换的光场；将一活体动物中需要进行细胞捕获的部分放置在形成所述光镊的位置；将一照明光束对准光镊和所述活体动物的需要进行细胞捕获的部分；调整所述光镊与所述活体动物的相对位置，使该光镊捕获所述活体动物的体内细胞。本发明能够非接触式的捕获和操控动活体物体内的细胞，无需破坏动物表面的皮层，且不会对细胞造成机械损伤。

Description

活体动物体内的细胞的捕获、操控方法及相应的装置

技术领域

本发明属于光学微操控技术领域，具体涉及一种活体动物体内细胞捕获与操控方法及相应的装置。

背景技术

由于动物体内环境的复杂性，在体外或培养环境下的动物学研究不一定能够准确反映在体内的动物学活动，因此活体动物体内检验是生物学研究的最终验证。在活体动物体内研究肿瘤细胞的生长及转移、细胞及蛋白质间相互作用等生物学过程，对生命科学、医学研究及药物研发等领域具有重要意义。

随着活体动物体内成像技术如核磁共振、光声成像、荧光、生物发光成像等技术的出现于发展，研究活体动物体内的生命活动成为现实。如果能够主动操控将细胞移动至目标位置，必将极大的推动动物体内生物学活动的研究。

目前能够捕获并操控细胞及蛋白质尺寸微粒的工具有几种：原子力显微镜、微吸允技术、磁镊。

原子力显微镜和微吸允技术属于机械式操控，磁镊只能操控磁性微球，不能操控生物细胞。因此，这三种技术都不适合于操控活体动物内的细胞。

另一种捕获并操控细及及蛋白质尺寸微粒的工具是光镊，光镊是激光经过高数值孔径物镜会聚后形成，因此光镊能够非机械接触地穿透动物组织，深入到动物活体内对细胞在三维实现稳定的、非接触性的捕获和操控。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的对活体动物内细胞的捕获和操控都采用机械接触方式，必须对活体动物进行解剖手术，存在损伤活体动物的不足。本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提出一种不损伤活体动物的细胞的捕获与操控方法，以及相应的装置。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种捕获活体动物体内的细胞的方法，该方法包括如下步骤：使一束激光形成光镊，所述光镊是指能够与微粒发生动量交换的光场；将一活体动物中需要进行细胞捕获的部分放置在形成所述光镊的位置；将一照明光束对准光镊和所述活体动物的需要进行细胞捕获的部分；调整所述光镊与所述活体动物的相对位置，使该光镊捕获所述活体动物的体内细胞。

本发明还提出一种操控活体动物体内的细胞的方法，其通过上述的捕获活体动物体内的细胞的方法捕获所述活体动物体内的细胞；并且，在捕获所述活体动物体内的细胞之后，使所述活体动物体与所述光镊发生位移，以使所述细胞相对于其周围介质发生相对位移。

根据本发明的一种实施方式，通过一个光学显微镜装置使所述激光形成光镊。

根据本发明的一种实施方式，所述光学显微镜装置为无穷远显微镜。

根据本发明的一种实施方式，，所述无穷远显微镜包括激光聚焦系统、置物平台和照明系统，所述激光聚焦系统用于将所述激光会聚成一个激光光斑，以在该激光光斑处形成所述光镊，所述置物平台用于放置所述活体动物，所述照明系统用于照射所述的光镊的位置，以便操作者的观察和图像的采集。

本发明还提出一种用于捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其包括：一个激光聚焦系统，其用于将一束激光会聚成一个激光光斑，以在该激光光斑处形成所述光镊；一个置物平台，其用于放置所述活体动物；一个照明系统，其用于照射所述光镊的位置。

根据本发明的一种实施方式，所述激光聚焦系统包括激光器、阱位透镜、第一反射镜、第二反射镜、二色镜、镜筒透镜和显微物镜，所述激光器发射平行光束，由所述阱位透镜进行会聚后经过第一反射镜和第二反射镜，再由二色镜反射后进行镜筒透镜，从镜筒透镜该所述激光束变为平行光后进入所述显微物镜，所述显微物镜将其聚焦成所述激光光斑。

根据本发明的一种实施方式，所述置物平台为压电平台。

根据本发明的一种实施方式，所述照明系统包括照明光源，所述照明光源发射的光透射光所述活体动物，并依次经由所述显微物镜、镜筒透镜和二色镜后出射。

根据本发明的一种实施方式，该装置还包括成像装置，其用于记录由照明系统发射的光。

根据本发明的一种实施方式，该装置还包括一个图像传感器，其用于记录由所述二色镜出射的光。

(三)有益效果

本发明提出的活体动物体内细胞捕获与操控方法采用了光镊技术，能够非接触式的捕获和操控动物体内的细胞，无需破坏动物表面的皮层，且不会对细胞造成机械损伤。

并且，本发明的方法能够运用到任何动物活体内的微循环管中粒子或活体细胞内部细胞器的动态研究。如血液微循环研究中抗癌药物的药效或疗效的影响，药物的靶向效果，微循环中的定点药物靶向研究等。活体内细胞相互作用的直接测量技术能为临床医学提供客观有效的科学数据。

附图说明

图1是本发明的方法所采用的光镊的原理图；

图2是本发明的活体动物体内细胞捕获与操控装置的一个实施例的结构示意图；

图3是根据本发明来捕获和操控活体动物细胞的照片示意图。

具体实施方式

本发明采用光镊技术对动物体内的细胞进行捕获与操控。所谓光镊是指一个特别的捕获微小粒子的光场。这个光场与微粒相互作用时，微粒整个受到光的作用从而达到被“钳”住的效果，然后可以通过移动光束来实现移动微粒。在本发明中，“捕获”指的是应用光镊将微粒无机械接触的“钳”在激光聚焦中心，“操控”指的是应用光镊无机械接触的移动被捕获的微粒。

光携带有能量和动量，与物质间可以交换动量，使受光照射的物体受到一个力或力矩，产生光的力学效应。光镊是一种以激光的力学效应为基础的工具，原理是利用强会聚激光与微粒相互作用所形成的三维势阱来捕获粒子，可以吸引微粒并把它局限在激光焦点附近的势阱中。

图1显示了光镊及其捕获微粒的原理。如图1所示，一束激光束经过一个高数值孔径的物镜聚焦于焦点，当一个微粒处于激光焦点附近时，入射光由于发生反射和折射导致其动量发生改变，而动量的改变量传递给微粒。以图1中光线1为例，光线1从物镜出射后，在微粒表面折射进入微粒，最后经过在微粒的另一面折射出微粒，由动量守恒定理，在激光传输过程中光线1的动量传递一部分给微粒使得微粒受力1，受力1指向激光聚焦点。同理，光线2也使微粒受力2，受力方向同样指向激光聚焦点。因此，光束1和光束2作用于微粒的效果是将对微粒施加一个指向激光聚焦中心的力，使微粒向激光聚集中心运动，直至稳定于激光聚集中心。整束激光的整体效果使得粒子会受到一个光阱力，将微粒束缚在激光焦点。

本发明利用光镊来实现活体动物体内微粒捕获的基本方案如下：以光学显微镜为基础进行光镊设计。将活体动物样品放置显微镜样品台，应用光学显微镜成像光路对样品进行成像观察。激光经过光学器件耦合后，进入显微镜，经高数值孔径物镜会聚后进入样品，形成光镊。应用光镊捕获和操控微粒的特性，在活体动物内捕获和操控细胞等微粒的移动。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

1、光镊装置

本发明以光学显微镜为基础进行光镊设计。将活体动物放置在显微镜样品台，应用光学显微镜成像光路对样品进行成像观察。激光器经过光学元件耦合后进入显微镜，由高数值孔径物镜会聚焦于活体动物内，形成光镊。

下面具体描述实现本发明的装置。

本发明采用无穷远显微镜来实现光镊，具体来说，显微镜包括激光聚焦系统、置物平台和照明系统，激光聚焦系统用于将一束激光会聚在一个激光光斑，以在该激光光斑处形成光镊；置物平台用于放置活体动物样品；照明系统用于照射光镊位置，以便操作者的观察和图像的采集。

对于该显微镜装置，将平行传输的激光光束经过光束耦合后进入显微镜。

图2是本发明的活体动物体内细胞捕获与操控装置的一个实施例的结构示意图。如图2所示，该实施例的装置包括激光器1、阱位透镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、二色镜5、图像传感器6、镜筒透镜7、显微物镜8、压电平台9和照明光源10。如图2所示，激光进入显微镜物镜8前为平行光，该平行激光充满物镜8的后瞳，激光经过物镜8后进入样品形成光镊。

激光器1发出的光束扩束成直径为6mm的近平行传播光束，由阱位透镜2(f＝180mm)进行会聚，又经过第一反射镜3和第二反射镜4后，由45度放置的二色镜5反射后通过镜筒透镜7(f＝180mm)后变成平行光后进入显微物镜8，经过聚焦成微米量级的激光光斑，该激光与细胞发生动量改变，形成光镊。所述照明光源发射的光透射光所述活体动物，并依次经由所述显微物镜8、镜筒透镜7和二色镜5后出射。照明光源10由显微物镜8收集，出射后的照明光最后由图像传感器6记录，实现对光镊捕获和操控活体细胞过程的观察和记录。

2、光镊捕获活体动物内细胞

在活体动物内，将聚焦后的激光定位于细胞流过的位置。由于光镊的陷阱效应，细胞流动的速度逐渐减缓，当细胞速度足够慢时，细胞就停留在光阱中，光镊实现对活体动物内细胞的捕获。

3、光镊操控活体动物内细胞

光镊操控动物体内细胞的运动则通过压电平台9移动物体来实现。本专利采用被动操控的方法操控动物活体内的细胞，让其在体内进行移动。其实施过程如下：使捕获激光不动，移动样品台9实现样品的运动。在移动过程中，由于光阱的束缚效果，细胞一直处于光阱中心，因此被捕获的细胞与周围介质做相对运动，直至光镊将细胞移动至目标位置为止。

在该实施例中，激光器1的波长为1064nm，功率为5W。激光器1、阱位透镜2、反射镜3、反射镜4通过光学调节架固定于普通光学平台上。显微物镜8、镜筒透镜7、二色镜5、照明光源10均为一个显微镜的内部组件，该显微镜也放置于所述光学平台上。压电平台9通过机械连接固定于显微镜样品台位置。图像传感器连接于所述显微镜的成像通道，在该实施例中，图像传感器为CCD相机。

4、实验验证

以下描述根据本发明的装置进行实验的过程。所用的实验动物为小白鼠，对小白鼠使用浓度20％的乌拉坦麻醉。在小白鼠进入深度麻醉状态后，使用刀片对其皮肤表层的毛进行去除，之后将表皮黏在厚度为0.17mm的盖玻片上，使用显微镜的显微物镜8进行观察，使用图像传感器6进行成像记录。

激光进入小白鼠体内后形成光镊，将激光会聚于细胞流过的位置，等微粒经过光阱附近时，光镊会捕获该微粒。微粒被捕获后，CCD拍摄下的图片效果如图3所示。图3中的“+”表示光阱，光阱中心的微粒为光镊捕获的细胞。

本发明能够运用到任何动物活体内的微循环管中粒子或活体细胞内部细胞器的动态研究。如血液微循环研究中抗癌药物的药效或疗效的影响，药物的靶向效果，微循环中的定点药物靶向研究等。活体内细胞相互作用的直接测量技术为临床医学提供客观有效的科学数据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种捕获活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

使一束激光形成光镊，所述光镊是指能够与微粒发生动量交换的光场；

将一活体动物中需要进行细胞捕获的部分放置在形成所述光镊的位置；

将一照明光束对准光镊和所述活体动物的需要进行细胞捕获的部分；

调整所述光镊与所述活体动物的相对位置，使该光镊捕获所述活体动物的体内细胞。

2.如权利要求1所述的捕获活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，通过一个光学显微镜装置使所述激光形成光镊。

3.如权利要求2所述的捕获活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，所述光学显微镜装置为无穷远显微镜。

4.如权利要求3所述的捕获活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，所述无穷远显微镜包括激光聚焦系统、置物平台和照明系统，所述激光聚焦系统用于将所述激光会聚成一个激光光斑，以在该激光光斑处形成所述光镊，所述置物平台用于放置所述活体动物，所述照明系统用于照射所述的光镊的位置，以便操作者的观察和图像的采集。

5.一种操控活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

通过如权利要求1所述的捕获活体动物体内的细胞的方法捕获所述活体动物体内的细胞；

在捕获所述活体动物体内的细胞之后，使所述活体动物体与所述光镊发生位移，以使所述细胞相对于其周围介质发生相对位移。

6.如权利要求5所述的操控活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，通过一个光学显微镜装置使所述激光形成光镊。

7.如权利要求6所述的操控活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，所述光学显微镜装置为无穷远显微镜。

8.如权利要求7所述的操控活体动物体内的细胞的方法，其特征在于，所述无穷远显微镜包括激光聚焦系统、置物平台和照明系统，所述激光聚焦系统用于将所述激光会聚成一个激光光斑，以在该激光光斑处形成所述光镊，所述置物平台用于放置所述活体动物，所述照明系统用于照射所述的光镊的位置，以便操作者的观察和图像的采集。

9.一种用于捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，该装置包括：

一个激光聚焦系统，其用于将一束激光会聚成一个激光光斑，以在该激光光斑处形成所述光镊；

一个置物平台，其用于放置所述活体动物；

一个照明系统，其用于照射所述光镊的位置。

10.如权利要求9所述的捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，所述激光聚焦系统包括激光器、阱位透镜、第一反射镜、第二反射镜、二色镜、镜筒透镜和显微物镜，

所述激光器发射平行光束，由所述阱位透镜进行会聚后经过第一反射镜和第二反射镜，再由二色镜反射后进行镜筒透镜，从镜筒透镜该所述激光束变为平行光后进入所述显微物镜，所述显微物镜将其聚焦成所述激光光斑。

11.如权利要求10所述的捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，所述置物平台为压电平台。

12.如权利要求10所述的捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，所述照明系统包括照明光源，所述照明光源发射的光透射光所述活体动物，并依次经由所述显微物镜、镜筒透镜和二色镜后出射。

13.如权利要求9所述的捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，该装置还包括成像装置，其用于记录由照明系统发射的光。

14.如权利要求12所述的捕获和操控活体动物体内的细胞的装置，其特征在于，该装置还包括一个图像传感器，其用于记录由所述二色镜出射的光。

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