一種全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)及記錄方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)及記錄方法。本發(fā)明專利技術(shù)系統(tǒng)包括核心處理裝置、樣品移動(dòng)平臺(tái)、影像裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置、機(jī)電控制微操作裝置、正負(fù)壓力裝置和紀(jì)錄電極，利用所述數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置測(cè)量的電阻值和所述影像裝置采集的圖像信息，移動(dòng)機(jī)電控制微操作裝置和控制正負(fù)壓力裝置的閥門，對(duì)細(xì)胞實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作得到千兆歐姆電阻后自動(dòng)吸破細(xì)胞膜的最佳膜片鉗紀(jì)錄狀態(tài)。本發(fā)明專利技術(shù)可用于不規(guī)整細(xì)胞和貼壁細(xì)胞的紀(jì)錄，克服了現(xiàn)階段自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)只能記錄懸浮與外觀規(guī)則細(xì)胞的局限。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于膜片鉗
，具體涉及。
技術(shù)介紹
膜片鉗技術(shù)是用于紀(jì)錄全細(xì)胞或個(gè)別細(xì)胞膜上離子信道電生理特性的研究方法，目的在于提供基礎(chǔ)研究知識(shí)與新藥開(kāi)發(fā)時(shí)研究細(xì)胞電特性或小分子藥物對(duì)細(xì)胞膜上離子信道特性的影響，替開(kāi)發(fā)標(biāo)靶藥物提供一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)膜片鉗系統(tǒng)由人工操作，實(shí)驗(yàn)人員在取得元代細(xì)胞(例如心肌細(xì)胞與神經(jīng)元)后，將研究對(duì)象細(xì)胞養(yǎng)在玻片上，以手動(dòng)方式將紀(jì)錄電極移動(dòng)放置在胞體上方并壓到細(xì)胞膜上，此時(shí)紀(jì)錄電極在膜外溶液里的電阻大約為3-9 ΜΩ。細(xì)胞膜由雙層脂膜組成，具有密封絕緣的特性，因此當(dāng)紀(jì)錄 電極接觸到細(xì)胞膜時(shí)電阻會(huì)開(kāi)始上升，然后以人工方式對(duì)紀(jì)錄電極內(nèi)施加一個(gè)負(fù)壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會(huì)加速上升，當(dāng)紀(jì)錄電極的電阻達(dá)到千兆歐姆(Giga Ω)時(shí)，意味著細(xì)胞膜與電極之間幾乎沒(méi)有電流漏出，之后對(duì)電極內(nèi)壓力施以一個(gè)快速的負(fù)壓將細(xì)胞膜吸破，這樣紀(jì)錄電極與細(xì)胞胞體之間會(huì)形成一個(gè)封閉的電容，此時(shí)就可以開(kāi)始對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因?yàn)闆](méi)有電流從紀(jì)錄電極周圍漏出，就可以確保紀(jì)錄了細(xì)胞對(duì)刺激的實(shí)時(shí)反應(yīng)，例如電流與電壓的變化等，并且還具有很高的時(shí)間分辨率與紀(jì)錄精度。人工操作電生理膜片鉗紀(jì)錄時(shí)，整個(gè)過(guò)程是相當(dāng)耗費(fèi)人力的，而且操作人員的技術(shù)熟練程度和經(jīng)驗(yàn)水平會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的成功率。針對(duì)上述問(wèn)題，目前市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)出一款自動(dòng)膜片鉗紀(jì)錄系統(tǒng)，此系統(tǒng)利用微機(jī)電加工的方式開(kāi)發(fā)出一種有許多孔洞的模版，每個(gè)孔洞里面含有細(xì)胞內(nèi)液及紀(jì)錄電極，并且可以吸附一個(gè)細(xì)胞施以可調(diào)控的壓力，以此方式達(dá)到千兆歐姆電阻進(jìn)行膜片鉗紀(jì)錄。但這種自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)有如下應(yīng)用局限性(1)僅能應(yīng)用于懸浮細(xì)胞的紀(jì)錄，因此大部分的紀(jì)錄對(duì)象為癌化細(xì)胞，而對(duì)于需要貼壁生長(zhǎng)的大多數(shù)正常細(xì)胞，現(xiàn)有的自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)就無(wú)法紀(jì)錄；(2)在紀(jì)錄對(duì)象上，目前的膜片鉗系統(tǒng)只能紀(jì)錄胞膜形狀平整飽滿的細(xì)胞，大部分是工具細(xì)胞如癌化細(xì)胞，此類細(xì)胞有比較強(qiáng)的細(xì)胞膜可以禁得起各種人為操作，而許多具有研究?jī)r(jià)值的細(xì)胞(例如元代培養(yǎng)的神經(jīng)元)胞膜較弱容易破裂，且胞體表面不規(guī)整，現(xiàn)有的自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)難以派上用場(chǎng)。因此，迫切需要一種新型的全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)來(lái)解決以上問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的本專利技術(shù)的目的在于針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)的應(yīng)用局限，提供一種新型的全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)，使得更大一類非懸浮且胞體表面不規(guī)整的細(xì)胞也能實(shí)現(xiàn)電生理膜片鉗紀(jì)錄過(guò)程自動(dòng)化。本專利技術(shù)的另一目的在于提供利用這種全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)的記錄方法。技術(shù)方案本專利技術(shù)全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)，包括核心處理裝置、樣品移動(dòng)平臺(tái)、影像裝置、數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置、機(jī)電控制微操作裝置、正負(fù)壓力裝置和紀(jì)錄電極；所述樣品移動(dòng)平臺(tái)可以在X-Y平面上自由移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)將培養(yǎng)細(xì)胞置于所述影像裝置的中心點(diǎn)；所述影像裝置用于采集細(xì)胞的圖像信息；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置與所述紀(jì)錄電極相連，用于同時(shí)進(jìn)行 電刺激與記錄，紀(jì)錄電阻與細(xì)胞電特性；所述紀(jì)錄電極固定在所述機(jī)電控制微操作裝置上，由所述機(jī)電控制微操作裝置帶動(dòng)在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)；所述正負(fù)壓力裝置用于對(duì)所述紀(jì)錄電極內(nèi)部制造正壓與負(fù)壓；所述核心處理裝置利用所述數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置測(cè)量的電阻值和所述影像裝置采集的圖像信息，移動(dòng)所述機(jī)電控制微操作裝置和控制正負(fù)壓力裝置的閥門，完成全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄的過(guò)程。所述影像裝置由單色攝影機(jī)、圖像采集卡和顯示器構(gòu)成，用于采集細(xì)胞的圖像信肩、O所述機(jī)電控制微操作裝置由三軸微操組成，能在三維立體空間上運(yùn)動(dòng)； 所述正負(fù)壓力裝能對(duì)紀(jì)錄電極內(nèi)部制造正壓與負(fù)壓，通過(guò)控制空氣閥實(shí)現(xiàn)氣壓的變化，如此可以控制電極頭吸附細(xì)胞的壓力大小與強(qiáng)度。利用上述系統(tǒng)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行千兆歐姆電阻后自動(dòng)吸破細(xì)胞膜的最佳膜片鉗狀態(tài)記錄的方法，包括如下步驟 步驟201 開(kāi)始； 步驟202:將培養(yǎng)細(xì)胞放置在樣品移動(dòng)平臺(tái)上，操作樣品移動(dòng)平臺(tái)使得樣品細(xì)胞進(jìn)入到視距范圍內(nèi)，并將紀(jì)錄電極置于細(xì)胞正上方，啟動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)的自動(dòng)操作；步驟203 核心處理裝置通過(guò)控制正負(fù)壓力裝置的空氣閥給出正壓，并且通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)電控制微操作裝置帶動(dòng)紀(jì)錄電極向下移動(dòng)接近細(xì)胞膜； 步驟204 當(dāng)影像裝置檢測(cè)到細(xì)胞膜凹陷到一定程度后，說(shuō)明紀(jì)錄電極已經(jīng)觸碰到細(xì)胞膜，此時(shí)停止機(jī)電控制微操作裝置的移動(dòng)，同時(shí)移除正壓； 步驟205 等待30秒后，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置檢測(cè)電阻值是否上升到原來(lái)的3倍，如果電阻值上升到3倍，進(jìn)行步驟206，否則轉(zhuǎn)到步驟207 ； 步驟206 核心處理裝置通過(guò)控制正負(fù)壓力裝置的空氣閥對(duì)紀(jì)錄電極內(nèi)施加一個(gè)負(fù)壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會(huì)加速上升，當(dāng)電阻值升到超過(guò)100ΜΩ時(shí)，停止施加負(fù)壓； 步驟207 驅(qū)動(dòng)機(jī)電控制微操作裝置使得紀(jì)錄電極向下移動(dòng)Iym; 步驟208 再次利用數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置檢測(cè)電阻值是否上升到原來(lái)的3倍，如果能上升到3倍，轉(zhuǎn)到步驟206，否則進(jìn)入步驟210 ； 步驟209 判斷在3-7分鐘內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置檢測(cè)到的電阻值是否達(dá)到千兆歐姆，如果達(dá)到千兆歐姆說(shuō)明紀(jì)錄電極尖端與細(xì)胞膜之間形成高阻密封，進(jìn)入步驟211，否則，轉(zhuǎn)到步驟210 ； 步驟210 當(dāng)前操作失敗，提示操作人員重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)； 步驟211 利用數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置給細(xì)胞加一電脈沖，使得細(xì)胞膜能夠破裂，這樣紀(jì)錄電極與細(xì)胞胞體之間會(huì)形成一個(gè)封閉的電容； 步驟212 檢測(cè)電阻是否降到低于100ΜΩ如果是，進(jìn)入步驟213，否則說(shuō)明當(dāng)前樣本細(xì)胞膜較厚，需轉(zhuǎn)到步驟214 ; 步驟213 此時(shí)細(xì)胞膜已經(jīng)吸破，可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，紀(jì)錄細(xì)胞對(duì)刺激的實(shí)時(shí)反應(yīng)；步驟214 核心處理裝置通過(guò)控制正負(fù)壓力裝置施以一個(gè)快速的負(fù)壓抽吸而使細(xì)胞月吳破裂； 步驟215 再次檢測(cè)電阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，轉(zhuǎn)到步驟213，否則轉(zhuǎn)到步驟210 ； 步驟216:結(jié)束。有益效果(I)本專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電生理膜片鉗紀(jì)錄過(guò)程的全自動(dòng)，節(jié)省了人力，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率；(2)本專利技術(shù)克服了現(xiàn)有自動(dòng)膜片鉗系統(tǒng)的應(yīng)用局限，既可以用于懸浮細(xì)胞的紀(jì)錄，也可以用于貼壁細(xì)胞的紀(jì)錄；(3)除了可以用于胞膜較強(qiáng)且胞膜形狀平整飽滿的細(xì)胞紀(jì)錄，本專利技術(shù)的膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)還可以用于胞膜較弱或不規(guī)整細(xì)胞的紀(jì)錄；(4)由于加入了影像裝置，本專利技術(shù)不僅可以用于單細(xì)胞的電生理膜片鉗紀(jì)錄，還可以用于組 織切片(如脂片或心臟切片)的細(xì)胞電生理膜片鉗紀(jì)錄。附圖說(shuō)明圖I為本專利技術(shù)的全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是采用本專利技術(shù)的全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)流程圖。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本專利技術(shù)技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本專利技術(shù)的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。實(shí)施例本專利技術(shù)全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)圖參見(jiàn)圖1，包括核心處理裝置101、樣品移動(dòng)平臺(tái)102、影像裝置103、數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置104、機(jī)電控制微操作裝置105、正負(fù)壓力裝置106和紀(jì)錄電極107。其中，所述樣品移動(dòng)平臺(tái)102用于放置培養(yǎng)細(xì)胞，可以在X-Y平面上自由移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)將培養(yǎng)細(xì)胞置于所述影像裝置103的中心點(diǎn)。所述影像裝置103由單色攝影機(jī)、圖像采集卡和顯示器構(gòu)成，用于采集細(xì)胞的圖像信息；由于細(xì)胞與非細(xì)胞有明顯的對(duì)比度不同，因此當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入視距范圍內(nèi)時(shí)通過(guò)圖像處理的方法可以識(shí)別出來(lái)，另外，對(duì)胞膜凸凹度的圖像處理也是細(xì)胞電生理膜片鉗紀(jì)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄系統(tǒng)，其特征在于，包括核心處理裝置（101）、樣品移動(dòng)平臺(tái)（102）、影像裝置（103）、數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置（104）、機(jī)電控制微操作裝置（105）、正負(fù)壓力裝置（106）和紀(jì)錄電極（107）；所述樣品移動(dòng)平臺(tái)（102）可以在X？Y平面上自由移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)將培養(yǎng)細(xì)胞置于所述影像裝置（103）的中心點(diǎn)；所述影像裝置（103）用于采集細(xì)胞的圖像信息；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置（104）與所述紀(jì)錄電極（107）相連，用于同時(shí)進(jìn)行電刺激與記錄，紀(jì)錄電阻與細(xì)胞電特性；所述紀(jì)錄電極（107）固定在所述機(jī)電控制微操作裝置（105）上，由所述機(jī)電控制微操作裝置（105）帶動(dòng)在三維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)；所述正負(fù)壓力裝置（106）用于對(duì)所述紀(jì)錄電極（107）內(nèi)部制造正壓與負(fù)壓；所述核心處理裝置（101）利用所述數(shù)模轉(zhuǎn)換放大裝置（104）測(cè)量的電阻值和所述影像裝置（103）采集的圖像信息，移動(dòng)所述機(jī)電控制微操作裝置（105）和控制正負(fù)壓力裝置（106）的閥門，完成全自動(dòng)膜片鉗電生理紀(jì)錄的過(guò)程。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：蔣禮陽(yáng)，葉樺，張晨，孫曉潔，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：