亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：一种全自动膜片钳电生理纪录系统及记录方法
技术领域：
本发明属于膜片钳技术领域，具体涉及一种全自动膜片钳电生理纪录系统及记录方法。
背景技术：
膜片钳技术是用于纪录全细胞或个别细胞膜上离子信道电生理特性的研究方法，目的在于提供基础研究知识与新药开发时研究细胞电特性或小分子药物对细胞膜上离子信道特性的影响，替开发标靶药物提供一个测试平台。传统的细胞培养膜片钳系统由人工操作，实验人员在取得元代细胞(例如心肌细胞与神经元)后，将研究对象细胞养在玻片上，以手动方式将纪录电极移动放置在胞体上方并压到细胞膜上，此时纪录电极在膜外溶液里的电阻大约为3-9 ΜΩ。细胞膜由双层脂膜组成，具有密封绝缘的特性，因此当纪录 电极接触到细胞膜时电阻会开始上升，然后以人工方式对纪录电极内施加一个负压，可以让电极与胞膜之间吸附得更为紧密而电阻也会加速上升，当纪录电极的电阻达到千兆欧姆(Giga Ω)时，意味着细胞膜与电极之间几乎没有电流漏出，之后对电极内压力施以一个快速的负压将细胞膜吸破，这样纪录电极与细胞胞体之间会形成一个封闭的电容，此时就可以开始对细胞进行实验。因为没有电流从纪录电极周围漏出，就可以确保纪录了细胞对刺激的实时反应，例如电流与电压的变化等，并且还具有很高的时间分辨率与纪录精度。人工操作电生理膜片钳纪录时，整个过程是相当耗费人力的，而且操作人员的技术熟练程度和经验水平会影响实验的成功率。针对上述问题，目前市场上已开发出一款自动膜片钳纪录系统，此系统利用微机电加工的方式开发出一种有许多孔洞的模版，每个孔洞里面含有细胞内液及纪录电极，并且可以吸附一个细胞施以可调控的压力，以此方式达到千兆欧姆电阻进行膜片钳纪录。但这种自动膜片钳系统有如下应用局限性(1)仅能应用于悬浮细胞的纪录，因此大部分的纪录对象为癌化细胞，而对于需要贴壁生长的大多数正常细胞，现有的自动膜片钳系统就无法纪录；(2)在纪录对象上，目前的膜片钳系统只能纪录胞膜形状平整饱满的细胞，大部分是工具细胞如癌化细胞，此类细胞有比较强的细胞膜可以禁得起各种人为操作，而许多具有研究价值的细胞(例如元代培养的神经元)胞膜较弱容易破裂，且胞体表面不规整，现有的自动膜片钳系统难以派上用场。因此，迫切需要一种新型的全自动膜片钳电生理纪录系统来解决以上问题。

发明内容
发明目的本发明的目的在于针对现有自动膜片钳系统的应用局限，提供一种新型的全自动膜片钳电生理纪录系统，使得更大一类非悬浮且胞体表面不规整的细胞也能实现电生理膜片钳纪录过程自动化。本发明的另一目的在于提供利用这种全自动膜片钳电生理纪录系统的记录方法。技术方案本发明全自动膜片钳电生理纪录系统，包括核心处理装置、样品移动平台、影像装置、数模转换放大装置、机电控制微操作装置、正负压力装置和纪录电极；所述样品移动平台可以在X-Y平面上自由移动以实现将培养细胞置于所述影像装置的中心点；所述影像装置用于采集细胞的图像信息；所述数模转换放大装置与所述纪录电极相连，用于同时进行 电刺激与记录，纪录电阻与细胞电特性；所述纪录电极固定在所述机电控制微操作装置上，由所述机电控制微操作装置带动在三维空间内运动；所述正负压力装置用于对所述纪录电极内部制造正压与负压；所述核心处理装置利用所述数模转换放大装置测量的电阻值和所述影像装置采集的图像信息，移动所述机电控制微操作装置和控制正负压力装置的阀门，完成全自动膜片钳电生理纪录的过程。所述影像装置由单色摄影机、图像采集卡和显示器构成，用于采集细胞的图像信肩、O所述机电控制微操作装置由三轴微操组成，能在三维立体空间上运动；
所述正负压力装能对纪录电极内部制造正压与负压，通过控制空气阀实现气压的变化，如此可以控制电极头吸附细胞的压力大小与强度。利用上述系统对细胞进行千兆欧姆电阻后自动吸破细胞膜的最佳膜片钳状态记录的方法，包括如下步骤
步骤201 开始；
步骤202:将培养细胞放置在样品移动平台上，操作样品移动平台使得样品细胞进入到视距范围内，并将纪录电极置于细胞正上方，启动膜片钳电生理纪录系统的自动操作；步骤203 核心处理装置通过控制正负压力装置的空气阀给出正压，并且通过驱动机电控制微操作装置带动纪录电极向下移动接近细胞膜；
步骤204 当影像装置检测到细胞膜凹陷到一定程度后，说明纪录电极已经触碰到细胞膜，此时停止机电控制微操作装置的移动，同时移除正压；
步骤205 等待30秒后，利用数模转换放大装置检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果电阻值上升到3倍，进行步骤206，否则转到步骤207 ；
步骤206 核心处理装置通过控制正负压力装置的空气阀对纪录电极内施加一个负压，可以让电极与胞膜之间吸附得更为紧密而电阻也会加速上升，当电阻值升到超过100ΜΩ时，停止施加负压；
步骤207 驱动机电控制微操作装置使得纪录电极向下移动Iym;
步骤208 再次利用数模转换放大装置检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果能上升到3倍，转到步骤206，否则进入步骤210 ；
步骤209 判断在3-7分钟内数模转换放大装置检测到的电阻值是否达到千兆欧姆，如果达到千兆欧姆说明纪录电极尖端与细胞膜之间形成高阻密封，进入步骤211，否则，转到步骤210 ；
步骤210 当前操作失败，提示操作人员重新开始实验；
步骤211 利用数模转换放大装置给细胞加一电脉冲，使得细胞膜能够破裂，这样纪录电极与细胞胞体之间会形成一个封闭的电容；
步骤212 检测电阻是否降到低于100ΜΩ如果是，进入步骤213，否则说明当前样本细胞膜较厚，需转到步骤214 ;
步骤213 此时细胞膜已经吸破，可以对细胞进行实验，纪录细胞对刺激的实时反
应；步骤214 核心处理装置通过控制正负压力装置施以一个快速的负压抽吸而使细胞月吴破裂；
步骤215 再次检测电阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，转到步骤213，否则转到步骤
210 ；
步骤216:结束。有益效果(I)本发明实现了电生理膜片钳纪录过程的全自动，节省了人力，提高了实验的成功率；(2)本发明克服了现有自动膜片钳系统的应用局限，既可以用于悬浮细胞的纪录，也可以用于贴壁细胞的纪录；(3)除了可以用于胞膜较强且胞膜形状平整饱满的细胞纪录，本发明的膜片钳电生理纪录系统还可以用于胞膜较弱或不规整细胞的纪录；
(4)由于加入了影像装置，本发明不仅可以用于单细胞的电生理膜片钳纪录，还可以用于组 织切片(如脂片或心脏切片)的细胞电生理膜片钳纪录。


图I为本发明的全自动膜片钳电生理纪录系统结构图。图2是采用本发明的全自动膜片钳电生理纪录系统流程图。
具体实施例方式下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。实施例本发明全自动膜片钳电生理纪录系统，结构图参见图1，包括核心处理装置101、样品移动平台102、影像装置103、数模转换放大装置104、机电控制微操作装置105、正负压力装置106和纪录电极107。其中，所述样品移动平台102用于放置培养细胞，可以在X-Y平面上自由移动以实现将培养细胞置于所述影像装置103的中心点。所述影像装置103由单色摄影机、图像采集卡和显示器构成，用于采集细胞的图像信息；由于细胞与非细胞有明显的对比度不同，因此当细胞进入视距范围内时通过图像处理的方法可以识别出来，另外，对胞膜凸凹度的图像处理也是细胞电生理膜片钳纪录的关键步骤。所述数模转换放大装置104与所述纪录电极107相连，用于同时进行电刺激与记录，纪录电阻与细胞电特性；本发明的数模转换放大装置104能纪录电阻与细胞电特性，利用此装置纪录电阻的阻值可以判断纪录电极107和细胞之间的距离，同时此装置还能发出电脉冲用以刺破细胞膜。所述纪录电极107固定在所述机电控制微操作装置105上，由所述机电控制微操作装置105带动在三维空间内运动；本发明的机电控制微操作装置105由三轴微操组成，能在三维立体空间上运动，配合影像装置103，在胞体视距范围内将纪录电极107对准并接近细胞中心点。所述正负压力装置106用于对所述纪录电极107内部制造正压与负压，通过控制空气阀实现气压的变化，如此可以控制电极头吸附细胞的压力大小与强度。所述核心处理装置101利用所述数模转换放大装置104测量的电阻值和所述影像装置103采集的图像信息，移动所述机电控制微操作装置105和控制正负压力装置106的阀门，完成全自动膜片钳电生理纪录的过程。本发明的全自动细胞培养膜片钳电生理纪录系统利用数模转换放大装置104测量的电阻值和影像装置103采集的图像信息，对细胞实现全自动操作得到千兆欧姆电阻后自动吸破细胞膜的最佳膜片钳纪录状态。纪录电极107在机电控制微操作装置105的带动下逐渐接近并触碰到细胞后，利用正负压力装置106提供的负压形成高阻密封的全细胞记录系统状态，系统流程图参见图2，开始于步骤201，结束于步骤216
步骤201 开始；
步骤202 :将培养细胞放置在样品移动平台102上，操作样品移动平台102使得样品细胞进入到视距范围内，并将纪录电极107置于细胞正上方，启动膜片钳电生理纪录系统的自动操作；
步骤203 核心处理装置101通过控制正负压力装置106的空气阀给出正压，并且通过驱动机电控制微操作装置105带动纪录电极107向下移动接近细胞膜；
步骤204 当影像装置103检测到细胞膜凹陷到一定程度后，说明纪录电极107已经 触碰到细胞膜，此时停止机电控制微操作装置105的移动，同时移除正压；
步骤205 等待30秒后，利用数模转换放大装置104检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果电阻值上升到3倍，进行步骤206，否则转到步骤207 ；
步骤206 核心处理装置101通过控制正负压力装置106的空气阀对纪录电极107内施加一个负压，可以让电极与胞膜之间吸附得更为紧密而电阻也会加速上升，当电阻值升到高于100 ΜΩ时，停止施加负压；
步骤207 驱动机电控制微操作装置105使得纪录电极107向下移动I μ m ;
步骤208 再次利用数模转换放大装置104检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果能上升到3倍，转到步骤206，否则进入步骤210 ；
步骤209 判断在3-7分钟内数模转换放大装置104检测到的电阻值是否达到千兆欧姆，如果达到千兆欧姆说明纪录电极尖端与细胞膜之间形成高阻密封，进入步骤211，否则，转到步骤210 ；
步骤210 当前操作失败，提示操作人员重新开始实验；
步骤211 利用数模转换放大装置104给细胞加一电脉冲，使得细胞膜能够破裂，这样纪录电极107与细胞胞体之间会形成一个封闭的电容；
步骤212 检测电阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，进入步骤213，否则说明当前样本细胞膜较厚，需转到步骤214 ;
步骤213 此时细胞膜已经吸破，可以对细胞进行实验，纪录细胞对刺激的实时反
应；
步骤214 核心处理装置101通过控制正负压力装置106施以一个快速的负压抽吸而使细胞膜破裂；
步骤215 再次检测电阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，转到步骤213，否则转到步骤
210 ；
步骤216:结束。本发明系统在实际应用中，能快速推动和抽吸I吴片甜电生理纪录系统，实验成功率相似或超过一个训练有素的实验员手动执行盲目的细胞内全细胞钳。上述图2过程可以用现有技术中的编程方法实现，在此不作进一步限制。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上 作出各种变化。
权利要求
1.一种全自动膜片钳电生理纪录系统，其特征在于，包括核心处理装置(101)、样品移动平台(102)、影像装置(103)、数模转换放大装置(104)、机电控制微操作装置(105)、正负压力装置(106)和纪录电极(107);所述样品移动平台(102)可以在X-Y平面上自由移动以实现将培养细胞置于所述影像装置(103)的中心点；所述影像装置(103)用于采集细胞的图像信息；所述数模转换放大装置(104)与所述纪录电极(107)相连，用于同时进行电刺激与记录，纪录电阻与细胞电特性；所述纪录电极(107)固定在所述机电控制微操作装置(105)上，由所述机电控制微操作装置(105)带动在三维空间内运动；所述正负压力装置(106)用于对所述纪录电极(107)内部制造正压与负压；所述核心处理装置(101)利用所述数模转换放大装置(104)测量的电阻值和所述影像装置(103)采集的图像信息，移动所述机电控制微操作装置(105)和控制正负压力装置(106)的阀门，完成全自动膜片钳电生理纪录的过程。
2.根据权利要求I所述的全自动膜片钳电生理纪录系统，其特征在于，所述影像装置(103)由单色摄影机、图像采集卡和显示器构成。
3.利用权利要求I所述的系统对细胞进行千兆欧姆电阻后自动吸破细胞膜的最佳膜片钳状态记录的方法，其特征在于包括如下步骤 步骤201 开始； 步骤202 :将培养细胞放置在样品移动平台(102)上，操作样品移动平台(102)使得样品细胞进入到视距范围内，并将纪录电极(107)置于细胞正上方，启动膜片钳电生理纪录系统的自动操作； 步骤203 核心处理装置(101)通过控制正负压力装置(106)的空气阀给出正压，并且通过驱动机电控制微操作装置(105)带动纪录电极(107)向下移动接近细胞膜； 步骤204 当影像装置(103)检测到细胞膜凹陷到一定程度后，说明纪录电极(107)已经触碰到细胞膜，此时停止机电控制微操作装置(105)的移动，同时移除正压； 步骤205 等待30秒后，利用数模转换放大装置(104)检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果电阻值上升到3倍，进行步骤206，否则转到步骤207 ； 步骤206 核心处理装置(101)通过控制正负压力装置(106)的空气阀对纪录电极(107)内施加一个负压，可以让电极与胞膜之间吸附得更为紧密而电阻也会加速上升，当电阻值升到高于100 ΜΩ时，停止施加负压； 步骤207 驱动机电控制微操作装置(105)使得纪录电极(107)向下移动I μ m ; 步骤208 再次利用数模转换放大装置(104)检测电阻值是否上升到原来的3倍，如果能上升到3倍，转到步骤206，否则进入步骤210 ； 步骤209 判断在3-7分钟内数模转换放大装置(104)检测到的电阻值是否达到千兆欧姆，如果达到千兆欧姆说明纪录电极尖端与细胞膜之间形成高阻密封，进入步骤211，否贝U，转到步骤210 ； 步骤210 当前操作失败，提示操作人员重新开始实验； 步骤211 利用数模转换放大装置(104)给细胞加一电脉冲，使得细胞膜能够破裂，这样纪录电极(107)与细胞胞体之间会形成一个封闭的电容； 步骤212 检测电阻是否降到低于100ΜΩ如果是，进入步骤213，否则说明当前样本细胞膜较厚，需转到步骤214 ；步骤213 此时细胞膜已经吸破，可以对细胞进行实验，纪录细胞对刺激的实时反应；步骤214 核心处理装置(101)通过控制正负压力装置(106)施以一个快速的负压抽吸而使细胞膜破裂； 步骤215 再次检测电阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，转到步骤213，否则转到步骤210 ； 步骤216 结束。
全文摘要
本发明公开了一种全自动膜片钳电生理纪录系统及记录方法。本发明系统包括核心处理装置、样品移动平台、影像装置、数模转换放大装置、机电控制微操作装置、正负压力装置和纪录电极，利用所述数模转换放大装置测量的电阻值和所述影像装置采集的图像信息，移动机电控制微操作装置和控制正负压力装置的阀门，对细胞实现全自动操作得到千兆欧姆电阻后自动吸破细胞膜的最佳膜片钳纪录状态。本发明可用于不规整细胞和贴壁细胞的纪录，克服了现阶段自动膜片钳系统只能记录悬浮与外观规则细胞的局限。
文档编号G01N33/483GK102866247SQ20121036207
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者蒋礼阳, 叶桦, 张晨, 孙晓洁 申请人:东南大学