【摘要】：人體是各種感受器的云集之處,這些感受器具有靈敏度高、選擇性好、集成度高等優(yōu)點(diǎn),模仿人體生物感受器研制仿生傳感器成為傳感技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。嗅覺(jué)作為人體重要感官之一,可識(shí)別數(shù)千乃至上萬(wàn)種氣味,受到生物嗅覺(jué)原理的啟發(fā),誕生了仿生電子鼻技術(shù)和以生物材料直接作為敏感元件的仿生嗅覺(jué)傳感器,其均在疾病診斷等生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本研究設(shè)計(jì)了一種新型仿生電子鼻并應(yīng)用于腸道菌群與相關(guān)疾病的診斷,同時(shí)為了更好地模擬生物嗅覺(jué)感受系統(tǒng),以生物嗅覺(jué)感受機(jī)制為基礎(chǔ),研制了基于嗅感覺(jué)神經(jīng)元和嗅球神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片的體外仿生嗅覺(jué)系統(tǒng),結(jié)合氣味和電刺激并分別記錄嗅感覺(jué)神經(jīng)元和嗅球神經(jīng)元的響應(yīng)信號(hào),驗(yàn)證了該體外仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)的有效性。進(jìn)一步利用海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片和體外電生理記錄系統(tǒng),建立了基于淀粉樣蛋白寡聚體誘導(dǎo)海馬神經(jīng)元的阿爾茲海默病體外病理模型,記錄神經(jīng)元電位信號(hào)并反映神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)突觸連接的病理變化,并在此模型基礎(chǔ)上探索了電刺激對(duì)阿爾茲海默病的治療效果。本論文的主要研究?jī)?nèi)容以及創(chuàng)新性工作如下:1.設(shè)計(jì)了一種新型的小型化呼出氣體檢測(cè)電子鼻儀器,通過(guò)快速檢測(cè)呼氣中氫氣、甲烷和二氧化碳濃度實(shí)現(xiàn)了人體胃腸道疾病的快速篩查本文提出新型電子鼻儀器可檢測(cè)人體呼出氣體中氫氣(H2)和甲烷(CH4)濃度并根據(jù)二氧化碳(CO2)進(jìn)行修正,排除室外氣體、病人呼吸模式等因素對(duì)肺泡氣的影響。精確控制檢測(cè)氣室溫度在38±0.5℃,使得傳感器基線(xiàn)漂移小于50mV,設(shè)計(jì)特殊的氣體反應(yīng)室,使得傳感器快速給出輸出響應(yīng)。精確控制載氣流量在60±5 mL/min,獲得H2與CH4最佳雙峰圖譜,可在90 s內(nèi)完成單次樣本檢測(cè)。該電子鼻對(duì)CO2的濃度檢測(cè)范圍為0.1-10%,分辨率為0.1%,H2和CH4的濃度檢測(cè)范圍為1-200 ppm,分辨率為1 ppm。該系統(tǒng)具有重復(fù)性與穩(wěn)定性良好、無(wú)創(chuàng)且操作便捷等優(yōu)點(diǎn),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)氫氣甲烷呼氣檢測(cè)儀的空白。2.提出了小腸細(xì)菌過(guò)度增長(zhǎng)呼氣診斷模型,通過(guò)實(shí)際呼氣樣本的采集和分析,驗(yàn)證了該模型對(duì)小腸細(xì)菌過(guò)度增長(zhǎng)的診斷準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上本研究選擇腸道菌群紊亂的典型疾病小腸細(xì)菌過(guò)度增長(zhǎng)(SIBO)作為診斷對(duì)象,采集健康人與患者呼氣樣本共282份,使用電子鼻儀器檢測(cè)H2、CH4和CO2濃度并繪制變化曲線(xiàn)。開(kāi)發(fā)了上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)病例信息,通過(guò)分析曲線(xiàn)特征值,建立了 SIBO單峰與雙峰曲線(xiàn)診斷模型。在此基礎(chǔ)上,本文首次發(fā)現(xiàn)了曲線(xiàn)走勢(shì)與SIBO輕重程度的相關(guān)性,且相同飲食和生活方式使得腸道菌群趨于一致。該呼氣檢測(cè)方法相比于現(xiàn)有的臨床診斷方法——小腸液抽吸,具有非侵入性、樣本不易受污染等優(yōu)點(diǎn),并可減少依靠經(jīng)驗(yàn)診療導(dǎo)致的抗生素濫用風(fēng)險(xiǎn)。3.提出了基于嗅感覺(jué)和嗅球神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片的體外仿生嗅覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,研究了氣味和電刺激作用下嗅感覺(jué)和嗅球神經(jīng)元對(duì)氣味的響應(yīng)特性本研究使用微機(jī)電系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)制作微電極陣列(MEA)芯片,解剖SD胎鼠和乳鼠提取嗅感覺(jué)神經(jīng)元和嗅球神經(jīng)元,使用特異性蛋白抗體進(jìn)行免疫熒光染色與鑒定。使用MEA記錄系統(tǒng)檢測(cè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)發(fā)放。使用丁二酮?dú)馕洞碳ば岣杏X(jué)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),提取鋒電位編寫(xiě)刺激單元,模擬嗅感覺(jué)神經(jīng)元自發(fā)放和高中低濃度氣味響應(yīng)并施加于嗅球神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)之上。使用神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸測(cè)試嗅球神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活性,并觀測(cè)其對(duì)模擬刺激的響應(yīng)。本研究首次實(shí)現(xiàn)體外嗅覺(jué)感受通路,有望成為一種新型的體外嗅覺(jué)感受系統(tǒng)藥理及病理機(jī)制研究模型。4.建立了基于海馬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片的阿爾茲海默病體外病理模型,記錄了神經(jīng)元電活動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)連接的退化,并探索了電刺激治療阿爾茲海默病的可能性本研究在MEA芯片上培養(yǎng)海馬神經(jīng)元并形成網(wǎng)絡(luò),使用淀粉樣蛋白寡聚體(AβOs)誘導(dǎo)建立AD體外模型。使用免疫熒光染色鑒定海馬神經(jīng)元軸突樹(shù)突損傷與tau蛋白過(guò)度磷酸化,同時(shí)測(cè)量AβOs誘導(dǎo)24 h內(nèi)中間神經(jīng)元與錐體神經(jīng)元的退行性生物電活動(dòng)變化,通過(guò)空間多位點(diǎn)發(fā)放圖譜和通道間的互相關(guān)性分析,評(píng)估神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連通性。使用頻率為40 Hz的電刺激作用于AβOs誘導(dǎo)后的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),觀察不同幅值對(duì)海馬神經(jīng)元發(fā)放的影響。該神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)芯片和檢測(cè)方法具有高通量、長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),可成為一種研究體外AD模型病理機(jī)制和評(píng)估電刺激對(duì)該疾病治療效果的新技術(shù)。
【圖文】：

圖１．２電子鼻呼氣檢測(cè)肺癌生理機(jī)制與代謝通路逡逑近年來(lái)，氣體傳感技術(shù)和人工智能不斷發(fā)展，獲得了更多與特定疾病相關(guān)的逡逑

該類(lèi)型生物材料制成的敏感元件直接用于氣味識(shí)別并將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)逡逑或光信號(hào)，一般包含兩級(jí)換能器。生物電子鼻敏感元件與氣味分子結(jié)合和信號(hào)生逡逑成機(jī)制如圖１．３所示信號(hào)的產(chǎn)生是由于氣味物質(zhì)與受體之間的結(jié)合，細(xì)胞膜逡逑表面的Ｇ蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶與轉(zhuǎn)導(dǎo)循環(huán)，消耗三磷酸腺苷（ａｄｅｎｏｓｉｎｅ逡逑ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ，邋ＡＴＰ）使得環(huán)化腺核苷一a愃幔ǎ悖悖歟椋沐澹粒洌澹睿錚螅椋睿邋澹恚錚睿錚穡瑁錚螅穡瑁幔簦�，辶x希悖粒停校┡ǘ仍黽櫻�，ｃＡＭＰ优Fǖ賴(lài)鞍捉岷�，蒂Z呂胱油ǖ攬牛衾胱擁牧鞫義系賈履とゼ⒉韉縹弧４送�，一些嗅觉受体通过q鞍準(zhǔn)せ畈〈煎義先姿崍字�。这种化恒曞K紗蚩評(píng)胱油ǖ潰黽癰評(píng)胱釉詘嗜芙褐械吶ǘ齲義洗傭賈錄乩胱油ǖ賴(lài)拇蚩�，蕼厦细胞钡a娑韉縹壞牟蛻窬嵬皇魍壞膩義先ゼ郟矗擔(dān)蕁ｅ義希海垮澹麇危�？？辶x舷赴ぃｅ渦峋跏芴邋義希清

本文編號(hào)：2598500