心肌细胞多参数复合传感器与系统及其在药物和毒素检测中的应用

发布时间：2020-06-08 10:59

【摘要】：药物和食品的安全问题是与人类生存和发展息息相关的问题。药物应该是安全、有效、质量可控的,但是药物的正常使用引起的不良反应却时有发生,造成多起药物在销售中被召回的事件。为了发现和预防药物的副作用,在临床前研究阶段,药物的安全性尤其是药物毒性的研究,对于药物开发和使用具有至关重要的影响。在海洋食品安全方面,由于日益严重的海洋环境污染促进了海洋生物毒素的形成,而这些毒素通过人类的食物链富集,成为人类健康和公共安全的一大威胁。因此,药物和食品的安全性检测方法研究具有非常重要的意义。目前,体外细胞实验方法是国际上常用的药物评价和毒素检测的有效方法。本论文以细胞传感技术为基础,利用心肌细胞作为敏感元件,研究了心肌细胞生长与搏动复合传感器及其检测系统的设计,心肌细胞活性与电兴奋复合传感及其检测系统的设计,建立了相应的检测方法和模型,并实际应用于药物的心脏安全性分析以及海洋生物毒素对细胞的毒性检测。本论文的主要研究工作和创新点包括:1、提出了一种基于阻抗传感器同时检测细胞的生长与搏动的新方法,设计制作了新的传感器,实现了心肌细胞生长和机械搏动的同时检测细胞阻抗传感器通过测量细胞阻抗的变化表征贴附在其表面的细胞的形态变化,包括细胞生长中贴附、迁移和凋亡等过程。心肌细胞生长时其细胞阻抗变化“慢”,而在收缩时其细胞阻抗变化“快”,根据该特点,本文设计了具有一致性和稳定性的心肌细胞阻抗传感器,结合快速阻抗检测技术,提出了对心肌细胞生长和机械搏动同时检测的新方法,同时记录了心肌细胞的生长过程与此过程中的机械搏动状态。2、研制了基于心肌细胞生长和搏动的复合检测分析仪器系统,提出了心肌细胞生长和机械搏动同时检测的药筛模型,实现了对心血管药物的药效与风险评价利用心肌细胞耦合细胞阻抗传感器,结合快速阻抗检测技术,构建了心肌细胞生长和机械搏动同时检测的心肌细胞药筛模型,并通过心肌细胞的细胞生长和机械搏动的收缩特性,对BayK8644、维拉帕米和Chromanol 293B等心血管相关的药物的作用效果与风险进行评价,观察药物作用过程中心肌细胞生长和搏动的变化,分析心血管药物的副作用。实验结果表明,心肌细胞生长与搏动的同时检测能够更有效地检测和评价心血管药物的药效与风险。3、提出了一种细胞阻抗和电位复合传感器的设计方法,设计制作了新的传感器,实现了对心肌细胞活性和场电位的同时检测复合细胞传感器可以对细胞进行多参数的检测与分析,对细胞生理进行更全面的表征。细胞的阻抗可以有效地反映细胞的形态变化,而心肌细胞的胞外场电位可以反映其细胞膜上的离子通道的开关与离子的跨膜运动。本文设计了细胞阻抗和电位传感的集成复合传感器,利用叉指电极检测心肌细胞的活性,利用平面微电极阵列检测心肌细胞胞外场电位,实现了心肌细胞的活性和场电位信号的同时检测。4、研制了基于心肌细胞活性和电位复合检测的分析仪器系统,提出了结合心肌细胞长时活性与短时电兴奋的药筛模型,实现了化疗药物心脏毒性的评价和海洋生物毒素的检测设计了结合叉指电极和微电极阵列电位传感器的复合传感器,利用心肌细胞的活性和电兴奋性,制作了心肌细胞复合传感器。基于心肌细胞的长时活性和短时电兴奋的原理,对化疗药物紫杉醇和长春花碱的心脏安全性进行了评估,分析了药物与心肌细胞内作用靶点反应后对心肌细胞活性和电兴奋性的影响。利用腹泻性贝类毒素对细胞活性的损伤以及麻痹性贝类毒素对细胞电兴奋性的抑制作用,实现了对大田软海绵和石房蛤毒素的特异性检测。
【图文】：

美国市场,药物,生物毒素

卫生健康领域，药物的安全和食物的毒性是关乎每个人生命安全和生活质逡逑举足轻重的问题。实际上，心血管问题是美国和欧洲市场上药物召回的主要逡逑题之一（Ｑｕｒｅｓｈｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１１；邋ＭｃＮａｕｇｈｔｏｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１４）。其中，由药物引起的逡逑性（Ｃａｒｄｉｏｔｏｘｉｃｉｔｙ）问题是最严重的，１９７６年到２００５年，因存在心脏安逡逑而被召回的药物占总召回量的２８％邋（图１－１邋（Ａ））邋（Ｗｉｌｋｅｅｔａｌ．，２００７）。因逡逑药公司亟需在临床前研宄中用于评估候选药物潜在药物毒性尤其是心脏毒逡逑法和技术。除此之外，食物的安全是另一个社会经济发展中出现的问题。逡逑年全国食物中毒事件统计如图丨－１邋（Ｂ）。在２０１５年，中国有１０４５人因食用逡逑植物及毒蘑菇而中毒，其中死亡人数达到８９人，而导致其中毒甚至死亡逡逑活性成分包含多种生物毒素（Ｂｉｏｔｏｘｉｎ），如肠毒素（Ｅｎｔｅｒｏｔｏｘｉｎ）、肉毒毒逡逑ｏｔｕｌｉｎｕｍＴｏｘｉｎ）等。生物毒素由生物体产生，可以通过食物在人类的食物逡逑集，，一旦食用将对人体健康造成极大威胁。逡逑１９７６－２００５年美国市场逦２０１５年全国食物中毒弟件逡逑

药物筛选,斑马鱼,小鼠模型,毒理学

图１＊４常见的模式动物逡逑在药物筛选方法中，常用的模式动物有小鼠（Ｍｏｕｓｅ）、大鼠（Ｒａｔ）、兔子、逡逑狗和猴子等（图１－４），它们被广泛地应用于药物药理学、毒理学等测试实验中。逡逑实验动物一般根据化合物的作用原理进行选择。大鼠、小鼠模型由于其易获得性逡逑和实用性，曾用于药物代谢、一般药理、神经系统、循环系统和呼吸系统等各方逡逑面药理研宄。近年来，新型的动物模型，如斑马鱼等在药物筛选开发领域得到广逡逑泛的关注和应用（０＾１＜＾１）0１＾扣３丨．，２００９）。开始时，因为斑马鱼的胚胎是透明的，逡逑５逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;R927;R155.5

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