用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统及检测方法，以内源性表达味觉受体、嗅觉受体的心肌细胞作为味嗅双感知敏感元件，并将味觉和嗅觉受体作为药物靶点，以微电极阵列电位传感器作为二级换能器，通过高灵敏、实时和快速检测味觉和嗅觉物质作用于体外心动过速模型前后的心肌细胞胞外场电位信号，并利用时域和频域电生理信号分析方法，实现了用于心动过速治疗的潜在中药和气味剂检测与定量评价。潜在中药和气味剂检测与定量评价。潜在中药和气味剂检测与定量评价。

【技术实现步骤摘要】
用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统及检测方法


[0001]本专利技术涉及仿生微纳传感及药物评价领域，尤其涉及一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞味嗅复合传感系统及检测方法。

技术介绍

[0002]口腔味蕾中的味觉受体和鼻腔中的嗅觉受体，分别作为外周化学感受器介导哺乳动物的味觉感知和嗅觉感知。然而，近年来结合RT
‑
PCR、基因测序、免疫染色以及空间转录组等技术，研究发现味觉受体，尤其是甜味、鲜味和苦味G蛋白偶联受体和嗅觉受体在味觉、嗅觉系统以外的区域也广泛表达，包括呼吸系统、胃肠道、泌尿生殖系统、心血管、甲状腺、肌肉骨骼、免疫和中枢神经系统，这称之为味觉、嗅觉受体的“异位表达”。尽管受体分子和味觉转导级联有相似之处，但味觉、嗅觉受体在口腔、鼻腔外组织中根据表达位置的不同发挥不同的化学感应功能，使其成为潜在的疾病治疗新药物靶点。在现代药物开发流程中，基于味觉受体、嗅觉受体的药物筛选有望成为新药研发的新途径。
[0003]心律失常是一种影响心跳频率或节律的心脏疾病，由心律失常导致的心源性猝死可占所有死亡的25％。心动过速是其中的一种，当心律加快到每分钟100次以上时，就会发生心动过速，继而会影响心脏泵血的方式。若不及时治疗，会破坏正常的心脏功能，导致严重的并发症，如心力衰竭、卒中、心搏骤停或死亡。目前，可用于治疗心动过速的抗心律失常药物，包括β受体阻滞剂，如醋丁洛尔、美托洛尔和其他常用的离子通道阻滞剂如胺碘酮、索他洛尔等。但是存在受体靶点单一、脱敏乃至出现心律失常副作用等问题，因此亟需开发新的更为安全的心动过速治疗药物。心肌细胞内源性表达味觉和嗅觉受体，能激活味觉、嗅觉受体的苦味激动剂和气味剂可以介导心肌细胞的收缩反应，对心肌收缩具有重要的剂量依赖性负性肌力作用。因此，本专利技术利用心肌细胞内源性表达味觉受体、嗅觉受体的特性，将心肌细胞作为味嗅双感知敏感元件，同时将味觉、嗅觉受体作为药物靶点，结合微电极阵列芯片，通过简单、快速、高效地记录胞外电位信号，提供一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统及检测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统及检测方法。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：该系统包括微电极阵列芯片设计加工模块、微电极阵列芯片表面修饰模块、味嗅双感知敏感元件培养模块、味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块、体外心动过速模型构建模块和药物检测评价模块；
[0006]所述微电极阵列芯片设计加工模块用于设计微电极阵列芯片所需的光刻掩膜板，所述光刻掩膜板包括金属层与绝缘层两部分，在金属层中，根据实际尺寸大小设计电极的形状和空间排列；之后，根据电极的位置进行绝缘层设计，除工作电极、参比电极以及金线
转接点所在的位置，其余位置区域由绝缘层覆盖；并通过MEMS制造工艺加工设计完成的微电极阵列芯片；
[0007]所述微电极阵列芯片表面修饰模块用于通过在微电极阵列芯片表面涂覆明胶/纤连蛋白溶液和Cell
‑
Tak细胞/组织粘合剂，通过增强微电极阵列芯片与心肌细胞的耦合度来提高微电极阵列芯片检测信号的信噪比；
[0008]所述味嗅双感知敏感元件培养模块用于通过原代提取的方式获得原代心肌细胞或者心肌细胞的细胞系，配置成心肌细胞悬液；然后将心肌细胞悬液种植在微电极阵列芯片培养腔中，心肌细胞均匀分布在微电极阵列芯片的电极上或者电极点周围；
[0009]所述味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块用于采用实时逆转录PCR(Reverse Transcription PCR，RT
‑
PCR)技术测定心肌细胞中味觉受体和嗅觉受体的基因表达情况；
[0010]所述体外心动过速模型构建模块用于将若干浓度梯度的异丙肾上腺素(Isoprenaline，ISO)分别作用于心肌细胞后，通过多通道体外电生理信号采集系统实时记录微电极阵列芯片上的心肌细胞胞外局部场电位信号的变化；并提取所检测到的电位信号的时域和频域特征并做归一化，得到不同浓度ISO刺激下的浓度依赖响应曲线，选择需求浓度的ISO作为体外心动过速模型构建的刺激物；
[0011]所述药物检测评价模块用于将味觉和嗅觉受体作为心动过速治疗的药物靶点，根据味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块得到的基因表达情况，选择能够激活心肌细胞内源性表达的味觉受体和嗅觉受体的刺激物，作用于体外心动过速模型构建模块选择的需求浓度的ISO刺激后的体外心动过速模型上，探究不同浓度的刺激物作用后引发的心肌细胞胞外局部场电位信号的变化，得到潜在心动过速治疗药物的评价效果。
[0012]进一步地，所述MEMS工艺具体过程为通过光刻、磁控溅射、Lift
‑
off剥离、等离子体增强化学气相沉积加工工艺进行微电极阵列芯片加工，最后经过划片、贴片、金线点焊步骤，将聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)培养室粘接加工完成的在微电极阵列芯片表面。
[0013]进一步地，所述微电极阵列芯片表面修饰模块进行微电极阵列芯片表面修饰还可以通过电化学工作站三电极系统在微电极阵列芯片的电极表面电镀铂黑纳米颗粒(PtNPs)，增加电极的比表面积，降低电极阻抗，从而降低噪声，提高微电极阵列芯片检测信号的信噪比。
[0014]进一步地，所述敏感元件培养模块在微电极阵列芯片中种植心肌细胞后，需要采用活细胞/死细胞染色方法来判定心肌细胞在微电极阵列芯片上的生长活性，对于80％以上细胞是活的，可以满足细胞传感检测要求，否则需要重新培养。
[0015]进一步地，所述味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块采用实时逆转录PCR(Reverse Transcription PCR，RT
‑
PCR)技术测定心肌细胞中味觉受体和嗅觉受体的基因表达的过程包括味觉与嗅觉受体基因引物序列设计、心肌细胞RNA提取、RNA反转录合成cDNA和RT
‑
PCR扩增。
[0016]进一步地，所述体外心动过速模型构建模块选用的异丙肾上腺素的浓度梯度分别为0.01、0.1、1、10、100和1000μM；心肌细胞局部场电位信号分析的时域和频域特征包括：电生理信号的幅值、频率、时程、发放时间间隔和功率谱密度。
[0017]进一步地，所述药物检测评价模块使用刺激物为中药和/或气味剂，通过心肌细胞
胞外局部场电位信号的变化，得到刺激物的浓度依赖响应曲线，并且通过非线性回归分析得到抑制心肌细胞心动过速的半数抑制浓度(The half maximal inhibitory concentration，IC
50
)。
[0018]本专利技术还提供了一种基于心肌细胞仿生味嗅复合传感系统的用于心动过速治疗药物评价的检测方法，具体步骤如下：
[0019](1)微电极阵列芯片设计加工：设计微电极阵列芯片所需的光刻掩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统，其特征在于，该系统包括微电极阵列芯片设计加工模块、微电极阵列芯片表面修饰模块、味嗅双感知敏感元件培养模块、味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块、体外心动过速模型构建模块和药物检测评价模块；所述微电极阵列芯片设计加工模块用于设计微电极阵列芯片所需的光刻掩膜板，所述光刻掩膜板包括金属层与绝缘层两部分，在金属层中，根据实际尺寸大小设计电极的形状和空间排列；之后，根据电极的位置进行绝缘层设计，除工作电极、参比电极以及金线转接点所在的位置，其余位置区域由绝缘层覆盖；并通过MEMS制造工艺加工设计完成的微电极阵列芯片；所述微电极阵列芯片表面修饰模块用于通过在微电极阵列芯片表面涂覆明胶/纤连蛋白溶液和Cell
‑
Tak细胞/组织粘合剂，通过增强微电极阵列芯片与心肌细胞的耦合度来提高微电极阵列芯片检测信号的信噪比；所述味嗅双感知敏感元件培养模块用于通过原代提取的方式获得原代心肌细胞或者心肌细胞的细胞系，配置成心肌细胞悬液；然后将心肌细胞悬液种植在微电极阵列芯片培养腔中，心肌细胞均匀分布在微电极阵列芯片的电极上或者电极点周围；所述味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块用于采用实时逆转录PCR(Reverse Transcription PCR，RT
‑
PCR)技术测定心肌细胞中味觉受体和嗅觉受体的基因表达情况；所述体外心动过速模型构建模块用于将若干浓度梯度的异丙肾上腺素(Isoprenaline，ISO)分别作用于心肌细胞后，通过多通道体外电生理信号采集系统实时记录微电极阵列芯片上的心肌细胞胞外局部场电位信号的变化；并提取所检测到的电位信号的时域和频域特征并做归一化，得到不同浓度ISO刺激下的浓度依赖响应曲线，选择需求浓度的ISO作为体外心动过速模型构建的刺激物；所述药物检测评价模块用于将味觉和嗅觉受体作为心动过速治疗的药物靶点，根据味嗅双感知敏感元件受体表达鉴定模块得到的基因表达情况，选择能够激活心肌细胞内源性表达的味觉受体和嗅觉受体的刺激物，作用于体外心动过速模型构建模块选择的需求浓度的ISO刺激后的体外心动过速模型上，探究不同浓度的刺激物作用后引发的心肌细胞胞外局部场电位信号的变化，得到潜在心动过速治疗药物的评价效果。2.根据权利要求1所述的一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统，其特征在于，所述MEMS制造工艺具体过程为通过光刻、磁控溅射、Lift
‑
off剥离、等离子体增强化学气相沉积加工工艺进行微电极阵列芯片加工，最后经过划片、贴片、金线点焊步骤，将聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)培养室粘接加工完成的在微电极阵列芯片表面。3.根据权利要求1所述的一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统，其特征在于，所述微电极阵列芯片表面修饰模块进行微电极阵列芯片表面修饰还可以通过电化学工作站三电极系统在微电极阵列芯片的电极表面电镀铂黑纳米颗粒(PtNPs)，增加电极的比表面积，降低电极阻抗，从而降低噪声，提高微电极阵列芯片检测信号的信噪比。4.根据权利要求1所述的一种用于心动过速治疗药物评价的心肌细胞仿生味嗅复合传感系统，其特征在于，所述敏感元件培养模块在微电极阵列芯片中种植心肌细胞后，需要采
用活细胞/死细胞染色方法来判定心肌细胞在微电极阵列芯片上的生长活性，对于80％以上细胞是活的，可以满足细胞传感检测要求，否则需要重新培养。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：秦春莲，袁群琛，王平，徐李舟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：