CN109239406A - 一种用于细胞器药物定位投递检测装置及投药检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于细胞器药物定位投递检测装置及检测方法，通过设置核心控制单元和夹持于Z向移动平台上的移液管，移液管内通过纵隔板纵隔分为驱动电极腔和抑制电极腔，采用三电极theta移液管，测量电极单独在工作电极腔内，用于测量溶液内离子电流，既为移液管的精确定位提供可靠的反馈信号，又能够实现对细胞表面离子通道的检测；工作电极和抑制电极分别置于双通道移液管的两个支管，在药物投送过程中，驱动电极和抑制电极间电势差形成的电势场会引导药物流经移液管下方的样本表面，抑制电极形成的电场回路使得药物不会自发扩散到溶液中，真正实现纳米级定量定点药物投送，本装置结构简单，能够实现高精度检测和药物投递功能的集成。
Description
技术领域
本发明属于扫描离子电导显微镜领域，涉及一种细胞器级定位精度的精确投药与检测装置，具体涉及一种用于细胞器药物定位投递检测装置及投药检测方法。
背景技术
扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy，SICM)是一种非接触式的扫描探针显微技术，1989年提出该技术，随着技术的发展，应用范围越来越广泛，目前在生物医学等领域也得到了充分的应用。SICM是一项近生理条件下实现生物样品表面形貌高分辨率和结构分析以及动力学表征的强大工具。所以这种纳米级、无损伤、无接触式的成像方式，用于活体细胞的研究领域具有特别突出的优势。
为了观察细胞表面形态学的相关研究数不胜数，例如光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和共聚显微镜等显微镜，但这些显微镜不能满足药物精准定位以及精准投递。文献Gaudenzio N,Sibilano R,Marichal T,et al.Different activationsignals induce distinct mast cell degranulation strategies.[J].Journal ofClinical Investigation,2016,126(10):3981-3998.作者观察肥大细胞的脱颗粒反应，采用了延时共聚焦显微镜，镜下显示了单体肥大细胞的脱颗粒变化，虽然该实验很详细的说明了肥大细胞的变化过程，但未能将相关药物精准投递到作用部位，所以也无法观察到细胞器级别的改变。
对于活体细胞观察药物反应的研究，目前常使用的方式多采用：将所需不同浓度的药物放置在细胞培养皿中，通过不同种显微镜观察和记录细胞在一段时间内所发生的变化。但还是无法实现将所需浓度的相关药物精准投递到作用部位，所以也无法观察到细胞器级别的改变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于细胞器药物定位投递检测装置及投药检测方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于细胞器药物定位投递检测装置，包括设置于XY向移动平台上的细胞培养皿，还包括核心控制单元和夹持于Z向移动平台上的移液管，移液管内通过纵隔板纵隔分为驱动电极腔和抑制电极腔，驱动电极腔内设有驱动电极、测量电极和毛细管，驱动电极连接于驱动电压模块，测量电极作为离子电流的检测端连接于离子电流检测模块，毛细管连接有用于控制毛细管内流量的微流控制系统，抑制电极腔内设有连接于抑制电压模块的抑制电极，驱动电压模块、抑制电压模块、离子电流检测模块和微流控制系统均连接于核心控制单元。
进一步的，XY向移动平台包括用于控制细胞培养皿沿X、Y两个方向移动的XY向微电机和XY向压电陶瓷，Z向移动平台包括用于移液管沿竖直方向移动的Z向微电机和Z向压电陶瓷。
进一步的，微流控制系统通过微量泵将药物泵注至移液管中。
进一步的，核心控制单元用于控制驱动电压模块和抑制电压模块的电压输出、采集来自离子电流检测模块的离子电流信号、以及用于控制Z向压电陶瓷、XY向压电陶瓷、Z向微电机和XY向微电机。
进一步的，驱动电极为Pt电极，表面涂有高分子绝缘涂层。
进一步的，测量电极为Ag/AgCl电极。
进一步的，移液管为锥形管，移液管下端开口为θ形状。
进一步的，核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将测量电极运动过程中的电流反馈信号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块、用于驱动微电机和压电陶瓷的驱动模块以及用于驱动电压模块和抑制电压模块输出控制的电压驱动模块。
一种细胞器药物定位投递检测装置的投药检测方法，包括以下步骤：
步骤1)、将移液管下管口定位至待研究细胞膜表面上端；
步骤2)、根据药物电荷，核心控制单元控制驱动电压模块和抑制电压模块工作，同时微流控制系统控制药物流量；
步骤3)、待药物投递完成后，停止驱动电压模块和抑制电压模块工作，同时停止药物进入；
步骤4)、通过测量电极记录细胞在药物投递后发生的反应数据。
进一步的，根据测量电极检测到的离子电流作为判断移液管和样本相对位置的反馈信号，通过电机和压电陶瓷定位装置将移液管下管口定位至待研究细胞样本区域上端，移液管下管口与细胞表面距离小于100纳米。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种用于细胞器药物定位投递检测装置，包括设置于XY向移动平台上的细胞培养皿，通过设置核心控制单元和夹持于Z向移动平台上的移液管，移液管内通过纵隔板纵隔分为驱动电极腔和抑制电极腔，驱动电极腔内设有驱动电极、测量电极和毛细管，驱动电极连接于驱动电压模块，测量电极作为离子电流的检测端连接于离子电流检测模块，毛细管连接有用于控制毛细管内流量的微流控制系统，抑制电极腔内设有连接于抑制电压模块的抑制电极，驱动电压模块、抑制电压模块、离子电流检测模块和微流控制系统均连接于核心控制单元，采用三电极theta移液管，测量电极单独在工作电极腔内，用于测量溶液内离子电流，既为移液管的精确定位提供可靠的反馈信号，又能够实现对细胞表面离子通道的检测；工作电极和抑制电极分别置于双通道移液管的两个支管，在药物投送过程中，驱动电极和抑制电极间电势差形成的电势场会引导药物流经移液管下方的样本表面，抑制电极形成的电场回路使得药物不会自发扩散到溶液中，真正实现纳米级定量定点药物投送，本装置结构简单，能够实现高精度检测和药物投递功能的集成。
一种用于细胞器药物定位投递检测方法，根据测量电极检测到的离子电流作为判断移液管和样本相对位置的反馈信号，通过电机和压电陶瓷定位装置将移液管下管口定位至待研究细胞样本区域上端，采用三电极theta移液管，测量电极单独在工作电极腔内，用于测量溶液内离子电流，既为移液管的精确定位提供可靠的反馈信号，又能够实现对细胞表面离子通道的检测；工作电极和抑制电极分别置于双通道移液管的两个支管，在药物投送过程中，驱动电极和抑制电极间电势差形成的电势场会引导药物流经移液管下方的样本表面，抑制电极形成的电场回路使得药物不会自发扩散到溶液中；通过测量电极和离子电流检测模块记录细胞在药物投递后表面的离子电流信号，进而评估药物投送后细胞在局部离子通道和形态学方面产生的变化；核心控制单元完成离子电流数据记录后，真正实现纳米级定量定点药物投送，实现高精度检测和药物投递功能的集成。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为移液管尖端横截面显微结构示意图。
图3为移液管下端管口结构示意图。
图4为细胞离子通道模拟图。
其中，1、细胞培养皿；2、XY向压电陶瓷；3、核心控制单元；4、Z向压电陶瓷；5、移液管；6、纵隔板；7、驱动电极腔；8、抑制电极腔；9、驱动电极；10、测量电极；11、毛细管；12、驱动电压模块；13、微流控制系统；14、抑制电压模块；15、抑制电极；16、离子电流检测模块；17、XY向微电机；18、Z向微电机；19、样本；20、受体；21、磷脂双分子层；22、通道；23、细胞外侧；24、细胞内侧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1、图2所示，一种用于细胞器药物定位投递检测装置，细胞培养皿1放置于XY向移动平台上，包括核心控制单元3和夹持于Z向移动平台上的移液管(Pipette)5，移液管5内通过纵隔板6纵隔分为驱动电极腔7和抑制电极腔8，驱动电极腔7内设有驱动电极9、测量电极10和毛细管11，驱动电极9连接于驱动电压模块12，测量电极10作为离子电流的检测端连接于离子电流检测模块16，毛细管11连接有用于控制毛细管内流量的微流控制系统，抑制电极腔内设有连接于抑制电压模块14的抑制电极15，驱动电压模块12、抑制电压模块14、离子电流检测模块16和微流控制系统13均连接于核心控制单元3；
XY向移动平台包括用于控制细胞培养皿1沿X、Y两个方向移动的XY向微电机17和XY向压电陶瓷2，Z向移动平台包括用于移液管5沿竖直方向移动的Z向微电机18和Z向压电陶瓷4；微电机用于毫米级大范围定位，压电陶瓷用于移液管的微纳米级精确定位；
微流控制系统通过微量泵将药物泵注至一侧的移液管5中，移液管5管腔极为狭小，需要有一定压力才能注入管腔；
核心控制单元用于控制驱动电压模块和抑制电压模块的电压输出，以及用于控制细胞电流检测系统检测；
驱动电极9为Pt电极，表面涂有高分子绝缘涂层；
测量电极10为Ag/AgCl电极；
移液管5为锥形管，如图3所示，移液管5下端开口为θ形状，即移液管5为theta移液管，移液管4采用玻璃管或者石英管，石英材质的theta管最小管径小于10nm；
核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将测量电极7运动过程中的电流反馈信号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块、用于驱动微电机和压电陶瓷的驱动模块以及用于驱动电压模块和抑制电压模块输出控制的电压驱动模块；压电陶瓷提供小范围的精密定位(运动范围≤100μm，精度为±1nm)，微电机提供大范围的运动(运动范围≤10mm，精度为±1μm)；
投送药物溶解在电解质中，核心控制模块通过测量电极7采集细胞器信息，然后控制XY向移动平台和Z向移动平台将移液管5移动至所需要投送细胞器上方后，根据离子电流将移液管5下管口逼近到距离细胞器小于100纳米后，通过驱动电压模块将带有一定电荷的药物分子投送到细胞器上，并通过测量电极10检测细胞器接受到药物分子后代谢电流变化，分析细胞器对该药物的反应。
根据测量电极10检测到的离子电流作为判断移液管5和样本19相对位置的反馈信号，通过电机和压电陶瓷定位装置将移液管5下管口定位至待研究细胞样本区域上端，移液管5下管口与细胞表面距离小于100纳米；核心控制单元3控制驱动电压模块12和抑制电压模块14工作，通过改变驱动电极9和抑制电极15上的电压来控制驱动电极腔7和抑制电极腔8间形成的电势差，进而实现微流控制系统13向移液管5尖端下方的细胞样本区域的精确给药；待药物投递完成后，停止驱动电压模块12和抑制电压模块14的工作，同时停止药物投送系统13对药物的输送；通过测量电极10和离子电流检测模块16记录细胞在药物投递后表面的离子电流信号，进而评估药物投送后细胞在局部离子通道和形态学方面产生的变化；核心控制单元3完成离子电流数据记录后，Z向压电陶瓷4和Z向微电机18带动移液管5远离细胞样本19，结束整个药物投递和测量过程。
如图4所示，为SICM在动物细胞膜上离子通道精准投递时的模拟图；
工作过程中，抑制电压模块和驱动电压模块，可以根据药物的电荷情况，相互转换，例如药物是正电荷的，接近细胞离子通道，投递药物时，驱动电压模块为正极，抑制电压模块为负极，药物受驱动电压模块和抑制电压模块作用，向抑制电压腔8流动，一部分流向细胞膜上的离子通道22，药物可从细胞膜外侧23流向细胞膜内侧24，极微量药物流入细胞培养液中，完成投递要求后，微量泵停止工作，驱动电压模块和抑制电压模块也停止工作；若药物带负电荷，驱动电压模块和抑制电压模块工作方式互换。
药物的投递靠驱动电压模块、抑制电压模块和微量泵双重控制，微量泵控制输出一定浓度的药物，驱动电压模块和抑制电压模块一同调控药物从移液管的一端进入另一端的速度；
当药物投递完成后，SICM(离子电导显微镜)即本装置中的Ag/AgCl电极开始扫描工作，记录细胞在药物投递后发生的反应，同时在Ag/AgCl的电极上有细胞电流检测系统，可供监测细胞局部电荷的变化。
该系统不仅可供细胞器级别的药物精准投递，也可用于细胞对细胞器级的药物投递后产生的反应，进行检测。
Claims (10)
1.一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，包括设置于XY向移动平台上的细胞培养皿(1)，还包括核心控制单元(3)和夹持于Z向移动平台上的移液管(5)，移液管(5)内通过纵隔板(6)纵隔分为驱动电极腔(7)和抑制电极腔(8)，驱动电极腔(7)内设有驱动电极(9)、测量电极(10)和毛细管(11)，驱动电极(9)连接于驱动电压模块(12)，测量电极(10)作为离子电流的检测端连接于离子电流检测模块(16)，毛细管(11)连接有用于控制毛细管内流量的微流控制系统(13)，抑制电极腔(8)内设有连接于抑制电压模块(14)的抑制电极(15)，驱动电压模块(12)、抑制电压模块(14)、离子电流检测模块(16)和微流控制系统(13)均连接于核心控制单元(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，XY向移动平台包括用于控制细胞培养皿(1)沿X、Y两个方向移动的XY向微电机(17)和XY向压电陶瓷(2)，Z向移动平台包括用于移液管(5)沿竖直方向移动的Z向微电机(18)和Z向压电陶瓷(4)。
3.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，微流控制系统(13)通过微量泵将药物泵注至移液管(5)中。
4.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，核心控制单元(3)用于控制驱动电压模块(12)和抑制电压模块(14)的电压输出、采集来自离子电流检测模块(16)的离子电流信号、以及用于控制Z向压电陶瓷(4)、XY向压电陶瓷(2)、Z向微电机(18)和XY向微电机(17)。
5.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，驱动电极(9)为Pt电极，表面涂有高分子绝缘涂层。
6.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，测量电极(10)为Ag/AgCl电极。
7.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，移液管(5)为锥形管，移液管(5)下端开口为θ形状。
8.根据权利要求1所述的一种用于细胞器药物定位投递检测装置，其特征在于，核心控制单元包括FPGA控制芯片、用于将测量电极(10)运动过程中的电流反馈信号实时转换并采集至FPGA控制芯片的信号采集模块、用于驱动微电机和压电陶瓷的驱动模块以及用于驱动电压模块和抑制电压模块输出控制的电压驱动模块。
9.一种基于权利要求1所述的细胞器药物定位投递检测装置的投药检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将移液管(4)下管口定位至待研究细胞膜表面上端；
步骤2)、根据药物电荷，核心控制单元控制驱动电压模块和抑制电压模块工作，同时微流控制系统控制药物流量；
步骤3)、待药物投递完成后，停止驱动电压模块和抑制电压模块工作，同时停止药物进入；
步骤4)、通过测量电极记录细胞在药物投递后发生的反应数据。
10.根据权利要求9所述的投药方法，其特征在于，根据测量电极(10)检测到的离子电流作为判断移液管(5)和样本(19)相对位置的反馈信号，通过电机和压电陶瓷定位装置将移液管(5)下管口定位至待研究细胞样本区域上端，移液管(5)下管口与细胞表面距离小于100纳米。
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