多参数心肌细胞传感器及其在药物对心脏药效和毒性分析中的应用

摘要

细胞传感器以活细胞作为敏感元件，结合传感器或换能器用于检测在外界刺激信号下细胞内外微环境以及细胞各类生理参数，如细胞阻抗、细胞胞外电位、细胞胞外酸化率的变化。有别于其他类型的生物传感器，细胞传感器主要特点是以生命活动基本单元的活体细胞作为感知外界环境变化的敏感材料。利用活体细胞高灵敏地感知细胞外界环境的变化，并且通过各类细胞生理参数响应直接反映出来。由于细胞传感器具有高灵敏度、动态实时、无损无标记的特点，将会在细胞生理学、药理学、毒理学的相关研究领域成为一种有效的方法和手段。
　　本论文以细胞传感器的基本理论为基础，结合信息、传感器、生物等相关技术，研制心肌细胞传感器及其检测系统，并将其应用于药物的心脏安全性分析当中。本论文设计加工了心肌细胞生长和搏动同时检测的阻抗传感器，建立了相应的心肌细胞阻抗传感器系统，并且将其应用于离体培养心肌细胞生长和搏动状态的同步检测;设计加工心肌细胞电位和阻抗集成细胞传感器，并研制了相应的集成细胞传感器检测系统，用于心肌细胞胞外电位和搏动状态的同时检测;本论文还采用这类心肌细胞传感器用于离子通道药物作用的验证和相关的药物安全分析，并且开发了人干细胞分化心肌细胞的搏动图谱功能，建立了心肌细胞传感器hERG通道抑制剂特异性识别的功能。进一步地，将集成心肌细胞传感器用于药物分析，从而对心肌细胞兴奋收缩偶联进行一定的研究。随着细胞传感器技术的不断发展，心肌细胞传感器能成为药物和毒素高通量快速分析研究中的重要工具。
　　本论文的主要内容和创新点在于:
　　1.提出了一种基于高速模数转换芯片和FPGA信号处理技术记录心肌细胞搏动状态的方法，检测速度比现有的ECIS-16系统提高了1000倍，系统精确度提高到0.05％，实现了利用细胞电阻抗技术对心肌细胞机械搏动信号的监测。
　　离体培养的心肌细胞会在传感器表面生长、增殖、迁移、死亡等现象。由于传统细胞阻抗的检测速度慢，检测精度低，难以满足在检测心肌细胞生长状态的同时实现对心肌细胞搏动信号的监测。本论文设计完成了一种新型高速信号采集和检测系统，并将其应用于心肌细胞生长和搏动状态的并行监测。通过原代心肌细胞的实验，验证了该传感器采集处理系统具备心肌细胞生长和搏动参数同时检测的功能。
　　2.采用了一种微电极阵列与阻抗叉指电极组成的集成细胞传感器，基于硬件和软件滤波技术，实现了心肌细胞胞外电位、搏动和生长状态的多参数并行监测。
　　心肌细胞具备其特有的电兴奋性和机械搏动性。传统的细胞传感器存在参数单一的问题，不能同时并行检测心肌细胞生长状态、兴奋收缩偶联反应以及电兴奋性活动。为了更准确地反映在药物作用下的心肌细胞的生理参数变化，本论文提出了一种多参数细胞传感器的设计方法，利用心肌细胞胞外电位信号频谱与细胞阻抗检测激励信号源频率的差异，采用硬件和软件滤波处理方法，实现了同时检测心肌细胞胞外电位、搏动状态和生长状态的功能。实验结果证明了上述方法的可行性。
　　3.研究了多参数心肌细胞传感器用于药物心脏药效和毒性的分析与评价方法，进行了该传感器可行性的初步验证。
　　药物的心脏毒性是导致药物停产撤回的主因，因而在临床应用前的药物心脏安全性分析尤为重要。传统的药物心脏安全性分析方法和手段通常有着实验通量与临床相关性的矛盾。在本论文研究中，采用新生SD大鼠的原代心肌细胞和人干细胞分化的心肌细胞构建心肌细胞传感器，对离子通道工具药物进行分析，反映了药物对心脏细胞的作用。此外提出了心肌细胞搏动图谱功能，用来特异性识别hERG通道抑制剂，并且利用集成心肌细胞传感器的多参数联合分析的功能，用于药物的心脏安全性分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 细胞传感器的发展现状

1．1．1 微电极阵列

1．1．2 细胞阻抗传感器

1．1．3 光寻址电位传感器

1．2 多参数集成细胞传感器

1．3 本章小结

参考文献

第2章 多参数心肌细胞传感器的理论分析

2．1 多参数心肌细胞传感器构建的背景和意义

2．2 心肌细胞概述

2．2．1 概述和分类

2．2．2 结构和生理特征

2．3 心肌细胞动作电位产生机制

2．3．1 动作电位

2．3．2 离子通道

2．3．3 自动节律性

2．4 心肌细胞兴奋收缩偶联机制

2．4．1 Ca2+在心肌收缩和流量平衡中的作用

2．4．2 心肌细胞Ca2+内流和外流

2．4．3 肌质网的作用机制

2．4．4 Ca2+的调节机制

2．5 本章小结

参考文献

第3章 心肌细胞生长和搏动同时检测多参数传感器研究

3．1 心肌细胞阻抗检测的背景和意义

3．2 传感器设计原理

3．2．1 细胞阻抗传感器耦合模型

3．2．2 心肌细胞生长和搏动检测原理

3．3 细胞阻抗传感器系统

3．3．1 传感器设计加工

3．3．2 传感器检测系统

3．3．3 传惑器检测系统性能测试

3．4 心肌细胞阻抗传感器构建

3．4．1 原代心肌细胞传感器的构建

3．4．2 人干细胞分化心肌细胞传感器的构建

3．5 本章小结

参考文献

第4章 心肌细胞胞外电位和阻抗同时检测的多参数细胞传感器研究

4．1 集成心肌细胞传感器的背景与意义

4．2 传感器设计原理

4．2．1 细胞电位传感器耦合模型

4．2．2 心肌细胞电位和搏动同时检测原理

4．3 集成心肌细胞传感器系统

4．3．1 传感器设计加工

4．3．2 集成传感器检测系统

4．3．3 集成细胞传感器系统性能测试

4．4 集成心肌细胞传感器构建

4．5 本章小结

参考文献

第5章 多参数心肌细胞传感器用于药物对心脏的药效和毒性分析

5．1 药物对心脏的药效和毒性分析的背景和意义

5．2 药物对心脏的药效和毒性分析概述

5．3 原代心肌细胞传感器药物对心脏药效和毒性分析

5．3．1 离子通道药物分析

5．3．2 抗癌药物分析

5．4 人干细胞分化心肌传感器药物分析

5．4．1 图谱基本性能测试

5．4．2 图谱功能应用于药物安全性分析

5．5 心肌细胞传感器机电一体化功能用于药物分析

5．5．1 心肌细胞传感器机电一体化性能测试

5．5．2 心肌细胞传感器机电一体化功能用于药物分析

5．6 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

攻读学位期间发表的学术论文及成果

致谢