高性能細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用.pdf

1、細胞傳感器是以活體細胞作為一級敏感元件，物理化學傳感器作為二級換能器的一類新型生物傳感器。細胞傳感器利用活體細胞感受外界的各種刺激，可檢測在刺激作用下多種細胞生理參數(shù)如細胞代謝水平、細胞阻抗和動作電位的響應變化，并通過物理化學傳感器將細胞的這些響應變化轉化為電學信號，最后可被傳感器的電路系統(tǒng)測量。細胞傳感器具有靈敏度高、實時動態(tài)、長時無損、無需標記等特點，可以廣泛地應用于細胞生理、藥物、環(huán)境毒素等相關的研究和應用領域。
　　本論文

2、以傳感器加工技術、細胞培養(yǎng)技術、信號檢測技術為基礎，構建多種類型細胞傳感器系統(tǒng)用于細胞生理檢測、藥物分析和毒素測試。本論文設計加工高靈敏度的光尋址電位傳感器(Light-addressable potentiometricsensor，LAPS)，并搭建高靈敏度細胞代謝傳感器系統(tǒng)，用于檢測細胞代謝的產生胞外酸化;設計加工高通量細胞阻抗傳感器(Electric cell-substrateimpedance sensor，ECIS)，并搭

3、建多功能細胞阻抗傳感器系統(tǒng)，用于檢測細胞生長和心肌細胞搏動;設計加工集成光尋址電位傳感器和細胞阻抗傳感器，并搭建集成細胞代謝和阻抗傳感器系統(tǒng)，用于兩種細胞生理參數(shù)的同時檢測。本論文利用心肌細胞傳感器用于各類藥物功能的驗證和心臟安全性分析，并開發(fā)了干細胞分化心肌細胞信號搏動圖譜功能，用于特異性識別hERG通道抑制劑。進一步地，本論文還利用細胞傳感器對海洋生物毒素中貝類毒素進行分析;隨著細胞傳感器技術的發(fā)展，細胞傳感器及其檢測系統(tǒng)能為藥物心

4、臟安全性與海洋生物毒素檢測分析建立高通量快速實用的分析測試平臺。
　　本論文的主要內容和創(chuàng)新點在于:
　　1.提出了一種高靈敏的細胞代謝檢測傳感器，并將其應用于細胞胞外酸化率的檢測。
　　細胞代謝是細胞維持生命活動重要生理過程，為了維持內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，細胞排出代謝作用中產生酸性產物，引起胞外微環(huán)境的酸化。本文通過對傳感器基底材料選擇和結構的優(yōu)化，設計加工了具有較高靈敏度的光尋址電位傳感器，結合微型細胞培養(yǎng)檢測腔體結構，構

5、建了具有較高pH靈敏度的細胞代謝傳感器系統(tǒng)，并通過傳感器單元基本性能實驗和細胞胞外酸化率實驗，驗證了高靈敏度細胞代謝傳感器系統(tǒng)細胞胞外酸化的檢測功能。
　　2.設計了一種多功能細胞阻抗傳感器，實現(xiàn)了對細胞生長和心肌細胞搏動的同時檢測。
　　細胞阻抗變化可以反映培養(yǎng)在細胞阻抗傳感器上的細胞貼附、增殖、凋亡等過程。傳統(tǒng)的細胞阻抗傳感器只能用于檢測細胞生長，本文設計高通量的細胞阻抗傳感器結合高速阻抗傳感器系統(tǒng)，構建了多功能細胞阻抗

6、傳感器系統(tǒng)，不僅可用于細胞基本生長狀態(tài)的檢測，而且還可用于心肌細胞搏動狀態(tài)的檢測。通過小鼠神經母細胞瘤的生長實驗和原代新生大鼠心肌細胞的搏動實驗，驗證了多功能細胞阻抗傳感器系統(tǒng)生長和搏動的檢測功能。
　　3.提出了一種集成細胞代謝和阻抗傳感器，實現(xiàn)了對細胞生長和細胞胞外酸化率的同時檢測。
　　為了更全面地反映細胞在外界刺激下產生的生理參數(shù)響應變化，傳感器需要同時檢測多個細胞生理參數(shù)，因此本論文開發(fā)的多參數(shù)集成細胞傳感器具有重

7、要的意義。本文將光尋址電位傳感器和細胞阻抗傳感器相結合，設計加工了集成細胞代謝和阻抗傳感器及其檢測系統(tǒng)，通過傳感器的基本性能測試、細胞生長和代謝藥物測試，驗證了集成細胞代謝和阻抗傳感器系統(tǒng)的細胞多參數(shù)檢測功能。
　　4.深入研究了基于干細胞分化的心肌細胞阻抗傳感器在評價藥物對心臟安全性的分析與應用。
　　傳統(tǒng)的藥物心臟安全性分析方法存在實驗通量和臨床相關性不可兼得的問題，如離體組織或者在體動物實驗雖然臨床相關性高，但存在著實

8、驗通量低成本高的缺點，而hERG蛋白與抑制劑結合的方法雖然實驗通量高，但存在著臨床相關性低的缺點。本文采用原代新生大鼠心肌細胞和人誘導多功能干細胞分化心肌細胞，結合細胞阻抗傳感器，構建心肌細胞傳感器，對離子通道藥物進行了測試分析，驗證了藥物的功能。提出了人誘導多功能干細胞分化心肌細胞傳感器的圖譜識別功能，通過對hERG抑制劑陽性藥物和市場上被撤回hERG抑制劑藥物的測試，發(fā)現(xiàn)在這些藥物的作用下，干細胞分化的心肌細胞傳感器都具有類似的搏動

9、圖譜，表明干細胞分化的心肌細胞傳感器的圖譜可以特異性的識別hERG抑制劑，能為藥物心臟安全性分析提供高通量快速檢測平臺。
　　5.深入研究了細胞阻抗傳感器在海洋生物毒素的高靈敏度快速檢測中的應用。
　　傳統(tǒng)的海洋生物毒素檢測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體差異大結果不準確的缺點，而液質聯(lián)用法存在儀器本身昂貴和檢測成本高的缺點，而傳統(tǒng)的細胞傳感器及其檢測技術常用于細胞生理和藥物方面的研究。本文采用細胞系、