基于显微操作系统的微管-图像校准方法在体细胞显微注射中的应用

研究背景

显微注射技术是一种通过精细的微管将特定量的遗传物质、药物或其他外源物质直接注入细胞或组织的技术。该技术在生物医学研究中发挥着重要作用，尤其是在转基因、基因靶向、动物克隆、人类不孕症治疗以及核酸引导的基因工程等领域。随着自动化技术的发展，传统的手动显微注射逐渐演变为自动化操作模式。然而，在自动显微注射系统中，如何准确地将显微镜视野中观察到的微管尖端的二维坐标与外部控制器获得的三维位置数据进行映射，仍然是一个技术难题。现有的校准方法通常依赖于电机驱动的物镜或复杂的显微视觉系统，这些方法在实际应用中往往不够快速和实用。

为了应对这一挑战，Fei Pan及其团队提出了一种实用的微管-图像校准方法，旨在实现显微镜视野中微管尖端的二维像素坐标与xyz微操作器外部控制器获得的三维空间位置之间的精确映射。该研究不仅为体细胞显微注射提供了新的校准方法，还为其他微操作应用（如微装配）提供了技术参考。

研究来源

本论文由Fei Pan、Shuxun Chen、Liushuai Zheng、Shaohua Zhi、Xi Chen和Dong Sun合作完成。作者来自香港岭南大学和香港城市大学等机构。论文发表于2025年的IEEE Transactions on Automation Science and Engineering期刊。

研究内容与流程

1. 微管-图像校准方法

该研究的核心是提出了一种基于微管尖端与培养皿底部接触的微管-图像校准方法。具体流程如下：

1. 坐标系统定义：研究定义了多个空间坐标系，包括像素坐标系（op, u, v）和世界坐标系（o, x, y, z）。通过旋转和倾斜坐标系，建立了微管尖端在不同坐标系下的位置关系。
2. 校准过程：通过将微管尖端移动至培养皿底部的三个非共线接触点，记录每个接触点的二维像素坐标和外部控制器的三维位置数据。通过矩阵运算，建立了像素坐标与控制器读数之间的映射关系。
3. 误差分析：通过对校准数据的分析，验证了该方法的可行性和稳定性。

2. 微管尖端断裂与细胞预处理技术

为了进一步提高显微注射的成功率，研究还提出了两种辅助技术：

1. 微管尖端断裂技术：使用低成本的丙烯酸环对微管尖端进行可控断裂，确保微管尖端能够产生足够小的开口，以便进行单细胞显微注射。该方法克服了传统方法中粉尘积累和操作复杂的缺点。
2. 细胞预处理技术：将完全贴壁的体细胞转化为半贴壁状态，增加细胞的厚度，使其更容易被刺穿。这种处理方法显著提高了显微注射的成功率和细胞存活率。

3. 实验验证

研究团队通过超过900次的人皮肤成纤维细胞（HDF）显微注射实验，验证了该方法的有效性。实验结果显示，注射成功率达到53.3%，细胞存活率达到95.8%。

研究结论

该研究提出了一种实用的微管-图像校准方法，特别适用于仅配备了电机驱动微操作器但不具备电机驱动物镜的显微操作系统。通过结合微管尖端断裂技术和细胞预处理技术，研究团队成功实现了高效的显微注射操作。该方法不仅在体细胞显微注射中具有应用价值，还为其他微操作任务提供了新的解决方案。

研究亮点

1. 创新型校准方法：该研究提出了一种基于微管尖端与培养皿底部接触的微管-图像校准方法，为精确的显微注射提供了新的技术支持。
2. 高效辅助技术：通过微管尖端断裂技术和细胞预处理技术，显著提高了显微注射的成功率和细胞存活率。
3. 实验验证：通过大量实验验证了该方法的有效性和实用性，为未来的自动化显微注射系统提供了技术参考。

研究意义

该研究不仅解决了显微注射中微管尖端位置校准的难题，还为自动化显微操作系统的发展提供了新的思路。未来，该方法可以与其他技术结合，进一步优化显微注射系统的精度和效率，推动生物医学研究和临床应用的进步。