機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)為新型藥物的研發(fā)提供了很多新的方法,同時(shí),也為生物領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供了新的技術(shù)與思路。目前,藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?qū)τ诟呔扰c高效率的藥物篩選與研發(fā)技術(shù)的需求與日俱增。因此,整合機(jī)器人技術(shù)以及微納米操作技術(shù)將會(huì)對(duì)細(xì)胞層面的給藥以及藥物篩選效率帶來(lái)進(jìn)一步的提高�，F(xiàn)有的離子通道以及相關(guān)藥物研究主要集中在靶點(diǎn)在細(xì)胞外的藥物以及懸浮細(xì)胞上。由于微米尺度的操作器和細(xì)胞的接觸需要極其精密的控制,因此在微納米的生物操作上要獲得很高的成功率仍然充滿(mǎn)著難度以及挑戰(zhàn)。為了提高相關(guān)微米生物操作的成功率,我們應(yīng)當(dāng)分析針對(duì)單細(xì)胞的微操作的過(guò)程,同時(shí),也應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)用于單貼壁細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)藥物與電生理分析的新控制技術(shù)。本論文描述了可用于離子通道記錄以及相關(guān)藥物篩選的自動(dòng)化生物微操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法以及技術(shù)細(xì)節(jié),該系統(tǒng)可在單貼壁細(xì)胞尺度上進(jìn)行相關(guān)的離子通道記錄以及藥物測(cè)試。該論文包括了以下三個(gè)方面研究。 首先,針對(duì)小尺寸貼壁細(xì)胞的電生理記錄問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于阻抗反饋的自動(dòng)化膜片鉗控制策略,并開(kāi)發(fā)了用于貼壁細(xì)胞的自動(dòng)化膜片鉗系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)理念的基本思路是利用阻抗反饋來(lái)監(jiān)測(cè)整個(gè)膜片鉗記錄過(guò)程。通過(guò)對(duì)微電極與細(xì)胞外液的阻抗的測(cè)量,該系統(tǒng)可以得到細(xì)胞狀態(tài)以及與微電極間的接觸過(guò)程。通過(guò)與視覺(jué)識(shí)別方法結(jié)合,該系統(tǒng)可以對(duì)玻璃微電極與細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別并定位,同時(shí)該視覺(jué)反饋與阻抗反饋可以監(jiān)測(cè)而整個(gè)膜片鉗封接與測(cè)試過(guò)程。通過(guò)該方法,貼壁細(xì)胞可以避免懸浮處理帶來(lái)的狀態(tài)改變。相比現(xiàn)有的商業(yè)膜片鉗系統(tǒng),該膜片鉗的封接狀態(tài)也會(huì)得到提高并進(jìn)而提高信號(hào)質(zhì)量。神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞以及大鼠背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞上的試驗(yàn)證明了該方法的可行性以及效率。 然后,我們研究了一個(gè)用于細(xì)胞外液以及內(nèi)液的藥物遞送系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對(duì)小尺寸細(xì)胞(直徑30微米)提供精確的藥物注射。細(xì)胞外液灌流系統(tǒng)利用一個(gè)基于聚二甲硅氧烷技術(shù)的灌流管以及微流管組成。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)新型的電壓反饋環(huán)節(jié)用來(lái)觀測(cè)細(xì)胞內(nèi)給藥的破膜過(guò)程,分析了相關(guān)的等效電路模型和關(guān)鍵參數(shù)。該被測(cè)電壓主要取決于細(xì)胞內(nèi)藥物注射過(guò)程中相關(guān)阻值的變化。通過(guò)對(duì)細(xì)胞注射過(guò)程中相關(guān)電阻的等效電路和仿真分析,我們證明了注射玻璃管尖端的電壓值是一個(gè)有效的參數(shù)可以用來(lái)直接觀察細(xì)胞注射過(guò)程中細(xì)胞膜的狀態(tài)。我們也使用了原子力顯微鏡來(lái)觀察不同細(xì)胞破膜時(shí)的力學(xué)反應(yīng)特征,用來(lái)預(yù)測(cè)該系統(tǒng)用于多種細(xì)胞的應(yīng)用前景。我們?cè)O(shè)計(jì)了微米尺度的單細(xì)胞注射的控制算法,使得給藥系統(tǒng)可以快速且精確的完成藥物注射。該系統(tǒng)用在貼壁細(xì)胞上的試驗(yàn)結(jié)果與模型仿真結(jié)果保持了一致,同時(shí),該系統(tǒng)很好的完成了面向小尺寸貼壁細(xì)胞的細(xì)胞外藥物以及細(xì)胞內(nèi)藥物的精確給藥。 第三,應(yīng)用了本自動(dòng)化微米生物操作系統(tǒng)在研究離子通道的活動(dòng)特性以及相關(guān)的電生理性質(zhì)分析。我們使用了包括人工培育的細(xì)胞系以及原代細(xì)胞來(lái)測(cè)試該平臺(tái)性能。同時(shí),我們利用該系統(tǒng)記錄并分析了與離子通道相關(guān)的藥物以及化學(xué)制品(門(mén)冬氨酸,beta淀粉樣蛋白,紫杉醇)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示該系統(tǒng)和方法具備著很好的電生理研究性能。首先,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)化系統(tǒng)與已有的手動(dòng)研究方法的結(jié)果很好的保持了一致。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)與方法可以很好的完成需要高阻值封接的細(xì)胞貼附式記錄。并且,該系統(tǒng)可以記錄直接從大鼠提取的原代細(xì)胞,而現(xiàn)有的自動(dòng)化膜片鉗系統(tǒng)很難做到這一點(diǎn)。 總而言之,該論文中的新式的反饋控制策略以及自動(dòng)微米生物操作系統(tǒng)提供了單貼壁細(xì)胞下細(xì)胞電生理研究的新方法。多種離子通道以及相關(guān)的藥物研究證明了該系統(tǒng)擁有著很高的成功率以及快速的性能。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：Q2-33;TP242
【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
List of Figures
List of Tables
Chapter 1 Introduction
    1.1 Background
    1.2 Statement of problems
    1.3 Research objectives
    1.4 Methodology and significance
    1.5 Chapter conclusion
Chapter 2 Literature review
    2.1 Ion channels disease and related drugs
        2.1.1 Ion channels
        2.1.2 Ion channel related drugs
    2.2 Ion channel drug delivery system
    2.3 Drug screening system for ion channel drugs
        2.3.1 Voltage sensitivity measurement
        2.3.2 Ion flux measurement
    2.4 Automated patch clamp system
        2.4.1 Planar patch clamp recording
        2.4.2 Pipette-based patch clamp recording
    2.5 Ion channel related disease
        2.5.1 N-Methyl-D-aspartate （NMDA） receptor and NMDA
        2.5.2 Amyloid-bets （Aβ） and Alzheimer's disease （AD）
        2.5.3 DRG cells and Taxol treatmem
    2.6 Chapter conclusions
Chapter 3 Pipette based automated patch clamp system
    3.1 Introduction
    3.2 System architecture
    3.3 Visual feedback
        3.3.1 Identification
        3.3.2 Segmentation
        3.3.3 Alignment of the visual system and the manipulation system
    3.4 Program Execution
    3.5 Critical parameter improvement
    3.6 Quantitative analysis of the automated patch clamp recording
    3.7 Experiments
        3.7.1 Cell and pipette identification
        3.7.2 Tests of ion channel blocker
    3.8 Conclusion
Chapter 4 Design of the extracellular and intracellular drug perfusionsystem
    4.1 Introduction
    4.2 Design of PDMS chamber for extracellular buffer exchange
    4.3 Equivalent circuit analysis
    4.4 Experiments
        4.4.1 Injection voltage analysis
        4.4.2 Injection of Alexa Fluor 488
        4.4.3 Study of penetration by atomic force microscope
    4.5 Conclusion
Chapter 5 Applications of the micro-biomanipulation system
    5.1 Introduction
    5.2 NMDA and NMDA receptor
    5.3 Recording of ion flux induced by amyloid-β
    5.4 Drug screening and tests of Taxol on DRG cells
    5.5 Conclusion
Chapter 6 Conclusions and Future work
    6.1 Summary
    6.2 Future work
References
致謝
Curriculum Vitae
中文簡(jiǎn)介

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2862655