高性能細(xì)胞傳感器及其在藥物心臟安全性與海洋生物毒素分析中的應(yīng)用.pdf

1、細(xì)胞傳感器是以活體細(xì)胞作為一級(jí)敏感元件，物理化學(xué)傳感器作為二級(jí)換能器的一類新型生物傳感器。細(xì)胞傳感器利用活體細(xì)胞感受外界的各種刺激，可檢測(cè)在刺激作用下多種細(xì)胞生理參數(shù)如細(xì)胞代謝水平、細(xì)胞阻抗和動(dòng)作電位的響應(yīng)變化，并通過物理化學(xué)傳感器將細(xì)胞的這些響應(yīng)變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)，最后可被傳感器的電路系統(tǒng)測(cè)量。細(xì)胞傳感器具有靈敏度高、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)時(shí)無損、無需標(biāo)記等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于細(xì)胞生理、藥物、環(huán)境毒素等相關(guān)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本論文

2、以傳感器加工技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建多種類型細(xì)胞傳感器系統(tǒng)用于細(xì)胞生理檢測(cè)、藥物分析和毒素測(cè)試。本論文設(shè)計(jì)加工高靈敏度的光尋址電位傳感器(Light-addressable potentiometricsensor，LAPS)，并搭建高靈敏度細(xì)胞代謝傳感器系統(tǒng)，用于檢測(cè)細(xì)胞代謝的產(chǎn)生胞外酸化;設(shè)計(jì)加工高通量細(xì)胞阻抗傳感器(Electric cell-substrateimpedance sensor，ECIS)，并搭

3、建多功能細(xì)胞阻抗傳感器系統(tǒng)，用于檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)和心肌細(xì)胞搏動(dòng);設(shè)計(jì)加工集成光尋址電位傳感器和細(xì)胞阻抗傳感器，并搭建集成細(xì)胞代謝和阻抗傳感器系統(tǒng)，用于兩種細(xì)胞生理參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)。本論文利用心肌細(xì)胞傳感器用于各類藥物功能的驗(yàn)證和心臟安全性分析，并開發(fā)了干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞信號(hào)搏動(dòng)圖譜功能，用于特異性識(shí)別hERG通道抑制劑。進(jìn)一步地，本論文還利用細(xì)胞傳感器對(duì)海洋生物毒素中貝類毒素進(jìn)行分析;隨著細(xì)胞傳感器技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)能為藥物心

4、臟安全性與海洋生物毒素檢測(cè)分析建立高通量快速實(shí)用的分析測(cè)試平臺(tái)。
　　本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)在于:
　　1.提出了一種高靈敏的細(xì)胞代謝檢測(cè)傳感器，并將其應(yīng)用于細(xì)胞胞外酸化率的檢測(cè)。
　　細(xì)胞代謝是細(xì)胞維持生命活動(dòng)重要生理過程，為了維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，細(xì)胞排出代謝作用中產(chǎn)生酸性產(chǎn)物，引起胞外微環(huán)境的酸化。本文通過對(duì)傳感器基底材料選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)加工了具有較高靈敏度的光尋址電位傳感器，結(jié)合微型細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)腔體結(jié)構(gòu)，構(gòu)

5、建了具有較高pH靈敏度的細(xì)胞代謝傳感器系統(tǒng)，并通過傳感器單元基本性能實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞胞外酸化率實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了高靈敏度細(xì)胞代謝傳感器系統(tǒng)細(xì)胞胞外酸化的檢測(cè)功能。
　　2.設(shè)計(jì)了一種多功能細(xì)胞阻抗傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和心肌細(xì)胞搏動(dòng)的同時(shí)檢測(cè)。
　　細(xì)胞阻抗變化可以反映培養(yǎng)在細(xì)胞阻抗傳感器上的細(xì)胞貼附、增殖、凋亡等過程。傳統(tǒng)的細(xì)胞阻抗傳感器只能用于檢測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)高通量的細(xì)胞阻抗傳感器結(jié)合高速阻抗傳感器系統(tǒng)，構(gòu)建了多功能細(xì)胞阻抗

6、傳感器系統(tǒng)，不僅可用于細(xì)胞基本生長(zhǎng)狀態(tài)的檢測(cè)，而且還可用于心肌細(xì)胞搏動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)。通過小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)和原代新生大鼠心肌細(xì)胞的搏動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多功能細(xì)胞阻抗傳感器系統(tǒng)生長(zhǎng)和搏動(dòng)的檢測(cè)功能。
　　3.提出了一種集成細(xì)胞代謝和阻抗傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞胞外酸化率的同時(shí)檢測(cè)。
　　為了更全面地反映細(xì)胞在外界刺激下產(chǎn)生的生理參數(shù)響應(yīng)變化，傳感器需要同時(shí)檢測(cè)多個(gè)細(xì)胞生理參數(shù)，因此本論文開發(fā)的多參數(shù)集成細(xì)胞傳感器具有重

7、要的意義。本文將光尋址電位傳感器和細(xì)胞阻抗傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)加工了集成細(xì)胞代謝和阻抗傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)，通過傳感器的基本性能測(cè)試、細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝藥物測(cè)試，驗(yàn)證了集成細(xì)胞代謝和阻抗傳感器系統(tǒng)的細(xì)胞多參數(shù)檢測(cè)功能。
　　4.深入研究了基于干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞阻抗傳感器在評(píng)價(jià)藥物對(duì)心臟安全性的分析與應(yīng)用。
　　傳統(tǒng)的藥物心臟安全性分析方法存在實(shí)驗(yàn)通量和臨床相關(guān)性不可兼得的問題，如離體組織或者在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)雖然臨床相關(guān)性高，但存在著實(shí)

8、驗(yàn)通量低成本高的缺點(diǎn)，而hERG蛋白與抑制劑結(jié)合的方法雖然實(shí)驗(yàn)通量高，但存在著臨床相關(guān)性低的缺點(diǎn)。本文采用原代新生大鼠心肌細(xì)胞和人誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞，結(jié)合細(xì)胞阻抗傳感器，構(gòu)建心肌細(xì)胞傳感器，對(duì)離子通道藥物進(jìn)行了測(cè)試分析，驗(yàn)證了藥物的功能。提出了人誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞傳感器的圖譜識(shí)別功能，通過對(duì)hERG抑制劑陽性藥物和市場(chǎng)上被撤回hERG抑制劑藥物的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在這些藥物的作用下，干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞傳感器都具有類似的搏動(dòng)

9、圖譜，表明干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞傳感器的圖譜可以特異性的識(shí)別hERG抑制劑，能為藥物心臟安全性分析提供高通量快速檢測(cè)平臺(tái)。
　　5.深入研究了細(xì)胞阻抗傳感器在海洋生物毒素的高靈敏度快速檢測(cè)中的應(yīng)用。
　　傳統(tǒng)的海洋生物毒素檢測(cè)的方法存在著各種難以克服的問題，如小鼠生物法存在的個(gè)體差異大結(jié)果不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，而液質(zhì)聯(lián)用法存在儀器本身昂貴和檢測(cè)成本高的缺點(diǎn)，而傳統(tǒng)的細(xì)胞傳感器及其檢測(cè)技術(shù)常用于細(xì)胞生理和藥物方面的研究。本文采用細(xì)胞系、