本文關(guān)鍵詞：多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器及其在藥物對心臟藥效和毒性分析中的應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：細(xì)胞傳感器以活細(xì)胞作為敏感元件,結(jié)合傳感器或換能器用于檢測在外界刺激信號下細(xì)胞內(nèi)外微環(huán)境以及細(xì)胞各類生理參數(shù),如細(xì)胞阻抗、細(xì)胞胞外電位、細(xì)胞胞外酸化率的變化。有別于其他類型的生物傳感器,細(xì)胞傳感器主要特點是以生命活動基本單元的活體細(xì)胞作為感知外界環(huán)境變化的敏感材料。利用活體細(xì)胞高靈敏地感知細(xì)胞外界環(huán)境的變化,并且通過各類細(xì)胞生理參數(shù)響應(yīng)直接反映出來。由于細(xì)胞傳感器具有高靈敏度、動態(tài)實時、無損無標(biāo)記的特點,將會在細(xì)胞生理學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)的相關(guān)研究領(lǐng)域成為一種有效的方法和手段。本論文以細(xì)胞傳感器的基本理論為基礎(chǔ),結(jié)合信息、傳感器、生物等相關(guān)技術(shù),研制心肌細(xì)胞傳感器及其檢測系統(tǒng),并將其應(yīng)用于藥物的心臟安全性分析當(dāng)中。本論文設(shè)計加工了心肌細(xì)胞生長和搏動同時檢測的阻抗傳感器,建立了相應(yīng)的心肌細(xì)胞阻抗傳感器系統(tǒng),并且將其應(yīng)用于離體培養(yǎng)心肌細(xì)胞生長和搏動狀態(tài)的同步檢測；設(shè)計加工心肌細(xì)胞電位和阻抗集成細(xì)胞傳感器,并研制了相應(yīng)的集成細(xì)胞傳感器檢測系統(tǒng),用于心肌細(xì)胞胞外電位和搏動狀態(tài)的同時檢測；本論文還采用這類心肌細(xì)胞傳感器用于離子通道藥物作用的驗證和相關(guān)的藥物安全分析,并且開發(fā)了人干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞的搏動圖譜功能,建立了心肌細(xì)胞傳感器hERG通道抑制劑特異性識別的功能。進(jìn)一步地,將集成心肌細(xì)胞傳感器用于藥物分析,從而對心肌細(xì)胞興奮收縮偶聯(lián)進(jìn)行一定的研究。隨著細(xì)胞傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,心肌細(xì)胞傳感器能成為藥物和毒素高通量快速分析研究中的重要工具。本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點在于：1. 提出了一種基于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和FPGA信號處理技術(shù)記錄心肌細(xì)胞搏動狀態(tài)的方法,檢測速度比現(xiàn)有的ECIS-16系統(tǒng)提高了1000倍,系統(tǒng)精確度提高到0.05%,實現(xiàn)了利用細(xì)胞電阻抗技術(shù)對心肌細(xì)胞機械搏動信號的監(jiān)測。離體培養(yǎng)的心肌細(xì)胞會在傳感器表面生長、增殖、遷移、死亡等現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)細(xì)胞阻抗的檢測速度慢,檢測精度低,難以滿足在檢測心肌細(xì)胞生長狀態(tài)的同時實現(xiàn)對心肌細(xì)胞搏動信號的監(jiān)測。本論文設(shè)計完成了一種新型高速信號采集和檢測系統(tǒng),并將其應(yīng)用于心肌細(xì)胞生長和搏動狀態(tài)的并行監(jiān)測。通過原代心肌細(xì)胞的實驗,驗證了該傳感器采集處理系統(tǒng)具備心肌細(xì)胞生長和搏動參數(shù)同時檢測的功能。2. 采用了一種微電極陣列與阻抗叉指電極組成的集成細(xì)胞傳感器,基于硬件和軟件濾波技術(shù),實現(xiàn)了心肌細(xì)胞胞外電位、搏動和生長狀態(tài)的多參數(shù)并行監(jiān)測。心肌細(xì)胞具備其特有的電興奮性和機械搏動性。傳統(tǒng)的細(xì)胞傳感器存在參數(shù)單一的問題,不能同時并行檢測心肌細(xì)胞生長狀態(tài)、’興奮收縮偶聯(lián)反應(yīng)以及電興奮性活動。為了更準(zhǔn)確地反映在藥物作用下的心肌細(xì)胞的生理參數(shù)變化,本論文提出了一種多參數(shù)細(xì)胞傳感器的設(shè)計方法,利用心肌細(xì)胞胞外電位信號頻譜與細(xì)胞阻抗檢測激勵信號源頻率的差異,采用硬件和軟件濾波處理方法,實現(xiàn)了同時檢測心肌細(xì)胞胞外電位、搏動狀態(tài)和生長狀態(tài)的功能。實驗結(jié)果證明了上述方法的可行性。3. 研究了多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器用于藥物心臟藥效和毒性的分析與評價方法,進(jìn)行了該傳感器可行性的初步驗證。藥物的心臟毒性是導(dǎo)致藥物停產(chǎn)撤回的主因,因而在臨床應(yīng)用前的藥物心臟安全性分析尤為重要。傳統(tǒng)的藥物心臟安全性分析方法和手段通常有著實驗通量與臨床相關(guān)性的矛盾。在本論文研究中,采用新生SD大鼠的原代心肌細(xì)胞和人干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞構(gòu)建心肌細(xì)胞傳感器,對離子通道工具藥物進(jìn)行分析,反映了藥物對心臟細(xì)胞的作用。此外提出了心肌細(xì)胞搏動圖譜功能,用來特異性識別hERG通道抑制劑,并且利用集成心肌細(xì)胞傳感器的多參數(shù)聯(lián)合分析的功能,用于藥物的心臟安全性分析。
【關(guān)鍵詞】：細(xì)胞傳感器 多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器 集成心肌細(xì)胞傳感器 藥物心臟藥效和毒性分析 藥物圖譜識別 興奮收縮偶聯(lián)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN911.7;R54
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-36
• 1.1 細(xì)胞傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀14-25
• 1.1.1 微電極陣列15-18
• 1.1.2 細(xì)胞阻抗傳感器18-21
• 1.1.3 光尋址電位傳感器21-25
• 1.2 多參數(shù)集成細(xì)胞傳感器25-27
• 1.3 本章小結(jié)27-28
• 1.4 參考文獻(xiàn)28-36
• 第2章 多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器的理論分析36-58
• 2.1 多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器構(gòu)建的背景和意義36
• 2.2 心肌細(xì)胞概述36-39
• 2.2.1 概述和分類36-38
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)和生理特征38-39
• 2.3 心肌細(xì)胞動作電位產(chǎn)生機制39-44
• 2.3.1 動作電位39-42
• 2.3.2 離子通道42-43
• 2.3.3 自動節(jié)律性43-44
• 2.4 心肌細(xì)胞興奮收縮偶聯(lián)機制44-52
• 2.4.1 Ca~(2+)在心肌收縮和流量平衡中的作用44-47
• 2.4.2 心肌細(xì)胞Ca~(2+)內(nèi)流和外流47-49
• 2.4.3 肌質(zhì)網(wǎng)的作用機制49-50
• 2.4.4 Ca~(2+)的調(diào)節(jié)機制50-52
• 2.5 本章小結(jié)52
• 2.6 參考文獻(xiàn)52-58
• 第3章 心肌細(xì)胞生長和搏動同時檢測多參數(shù)傳感器研究58-76
• 3.1 心肌細(xì)胞阻抗檢測的背景和意義58-59
• 3.2 傳感器設(shè)計原理59-62
• 3.2.1 細(xì)胞阻抗傳感器耦合模型59-61
• 3.2.2 心肌細(xì)胞生長和搏動檢測原理61-62
• 3.3 細(xì)胞阻抗傳感器系統(tǒng)62-67
• 3.3.1 傳感器設(shè)計加工62-63
• 3.3.2 傳感器檢測系統(tǒng)63-65
• 3.3.3 傳感器檢測系統(tǒng)性能測試65-67
• 3.4 心肌細(xì)胞阻抗傳感器構(gòu)建67-71
• 3.4.1 原代心肌細(xì)胞傳感器的構(gòu)建67-69
• 3.4.2 人干細(xì)胞分化心肌細(xì)胞傳感器的構(gòu)建69-71
• 3.5 本章小結(jié)71
• 3.6 參考文獻(xiàn)71-76
• 第4章 心肌細(xì)胞胞外電位和阻抗同時檢測的多參數(shù)細(xì)胞傳感器研究76-90
• 4.1 集成心肌細(xì)胞傳感器的背景與意義76-77
• 4.2 傳感器設(shè)計原理77-79
• 4.2.1 細(xì)胞電位傳感器耦合模型77-78
• 4.2.2 心肌細(xì)胞電位和搏動同時檢測原理78-79
• 4.3 集成心肌細(xì)胞傳感器系統(tǒng)79-84
• 4.3.1 傳感器設(shè)計加工79-80
• 4.3.2 集成傳感器檢測系統(tǒng)80-82
• 4.3.3 集成細(xì)胞傳感器系統(tǒng)性能測試82-84
• 4.4 集成心肌細(xì)胞傳感器構(gòu)建84-86
• 4.5 本章小結(jié)86
• 4.6 參考文獻(xiàn)86-90
• 第5章 多參數(shù)心肌細(xì)胞傳感器用于藥物對心臟的藥效和毒性分析90-110
• 5.1 藥物對心臟的藥效和毒性分析的背景和意義90-91
• 5.2 藥物對心臟的藥效和毒性分析概述91-92
• 5.3 原代心肌細(xì)胞傳感器藥物對心臟藥效和毒性分析92-99
• 5.3.1 離子通道藥物分析92-97
• 5.3.2 抗癌藥物分析97-99
• 5.4 人干細(xì)胞分化心肌傳感器藥物分析99-103
• 5.4.1 圖譜基本性能測試99-100
• 5.4.2 圖譜功能應(yīng)用于藥物安全性分析100-103
• 5.5 心肌細(xì)胞傳感器機電一體化功能用于藥物分析103-106
• 5.5.1 心肌細(xì)胞傳感器機電一體化性能測試103-105
• 5.5.2 心肌細(xì)胞傳感器機電一體化功能用于藥物分析105-106
• 5.6 本章小結(jié)106-107
• 5.7 參考文獻(xiàn)107-110
• 第6章 總結(jié)與展望110-114
• 6.1 研究總結(jié)110-112
• 6.2 工作展望112
• 6.3 參考文獻(xiàn)112-114
• 作者簡歷114-116
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及成果116-120
• 致謝

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1 石彥榮,王述Y

本文編號：345800