CN110819530A - 一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统及方法。该系统将横向电磁场(TEM)小室整合在用于标准化细胞培养的二氧化碳孵育箱中(37℃恒温，95％空间湿度以及5％二氧化碳气体)，孵育箱箱体两侧腔体通过非金属材料密封后分别连接信号源的输入端和输出端。输入端通过同轴电缆线连接可调脉冲源发射器信号源，信号通过TEM小室过渡段到传输室，TEM小室传输室将信号均匀分布在中央芯板周围，终端匹配负载，确保信号不发生反射从而保证小室的场均一性。该新型TEM小室整合培养箱系统不仅保证了细胞的标准生长环境，而且提供了可变的均匀的脉冲电磁场辐射环境，对于精确研究不同的脉冲电磁场环境对细胞分子机制的调控具有重大的意义。

Description

一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统及方法

技术领域

本发明属于脉冲电磁场生物学效应研究领域，尤其涉及实现细胞分子生物学机制精确电磁效应评估研究领域，具体涉及一种用于细胞瞬时脉冲电磁场生物效应精确评估的新型辐射培养箱系统及方法。

背景技术

细胞分子生物学水平的电磁辐射效应研究是生物电磁效应的研究基础，精确评估细胞分子水平的响应机制有助于对组织和机体的效应研究提供一定的指导意义；除此之外，挖掘电磁辐射对细胞分子水平的精确调控对于电磁辐射应用于疾病治疗或者疾病预防等方面具有重要的实际意义。

目前用于评估不同脉冲电磁场环境下细胞水平的生物学效应研究的常规方法是将细胞直接暴露在开放环境的电磁场辐射中，短时间内开放环境可能对细胞尚无显著的影响，但长时间暴露细胞本身由于因为受到温度、空气湿度以及培养液中pH的影响而造成一定的分子生物学机制的改变，这种情况则很难与电磁辐射引起的效应相区分，给研究结果带来很大的不确定性，造成目前细胞生物学水平的电磁辐射响应没有统一的结论。

发明内容

为了解决目前评估细胞分子生物学水平的脉冲电磁场辐射效应的方法易受外部环境因素干扰，造成评估精确度较低的问题，本发明提供一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统及方法，该系统保证TEM辐射参数作为唯一变量，避免了在实验过程中由于温度、湿度和pH环境的改变对细胞产生影响而造成实验结果的不确定性，能够精确评估细胞分子生物学水平的脉冲电磁场辐射效应。

本发明的技术方案是提供一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特殊之处在于：包括可调脉冲源发射器信号源、细胞孵育箱、位于细胞孵育箱内的TEM小室及位于细胞孵育箱外且接地的终端匹配负载；

上述孵育箱内温湿度可控，且其内部充满能够维持细胞培养液pH稳定的混合气体；

上述TEM小室包括壳体及位于壳体内部的中央芯板；

上述壳体沿壳体长度方向依次包括过渡段、主传输段及终端吸收段；上述过渡段的端口作为信号输入端，通过同轴电缆与可调脉冲源发射器信号源连接，过渡段的口径从信号输入端线性增大至与主传输段口径相同；上述终端吸收段的端口作为信号输出端，通过同轴电缆与终端匹配负载连接，终端吸收段的口径从主传输段口径线性减小至信号输出端口径；

上述中央芯板位于壳体内部，用于放置待测细胞，所述中央芯板的几何中心与壳体的几何中心重合。

进一步地，为了保证箱体环境的稳定性，与信号输入端及信号输出端对应的孵育箱两侧分别设有第一腔体与第二腔体，第一腔体与第二腔体均通过非金属材料密封；一根同轴电缆穿过第一腔体，两端分别与可调脉冲源发射器信号源及过渡段的端口连接；另一根同轴电缆穿过第二腔体，其两端分别与终端吸收段的端口及终端匹配负载连接。

进一步地，中央芯板中心部位的场强均匀分布，强度为：

其中v(t)为t时刻的信号源电压强度，h为TEM小室的总高度的一半。

进一步地，上述主传输段为方筒状，上述过渡段及终端吸收段均为四棱锥筒；过渡段、主传输段的材质是不锈钢(δ＝1)，终端吸收段为吸波材料。

进一步地，上述细胞孵育箱为二氧化碳孵育箱，其内温湿度及气体参数为：37℃恒温，95％空间湿度以及5％二氧化碳气体。

进一步地，为了保证标准的细胞培养环境，细胞孵育箱内设有紫外灭菌装置。

进一步地，上述同轴电缆内外铜导体之间填充聚四氟乙烯。

本发明还提供一种基于用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统实现细胞电磁场生物效应评估的方法，包括以下步骤：

步骤1、准备正常生长状态的细胞样品或者经过药物刺激或基因修饰的细胞样品；

步骤2、将细胞样品培养在所需的细胞培养器皿中，该器皿无反射或者干扰电磁波信号；

步骤3、将培养有细胞的细胞培养器皿放置在TEM小室中央芯板的中心位置，确保受到辐射场环境均匀；

步骤4、在可调脉冲源发射器信号源设置所需的电压、频率、重频参数和辐射时间；

步骤5、使用相应的分子生物学手段进行效应评估。

本发明的有益效果是：

1、本发明用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，将横向电磁场(TEM)小室整合在用于标准化细胞培养的二氧化碳孵育箱中，不仅保证了细胞标准的生长生活环境，并为脉冲电磁场生物效应的研究提供均匀稳定的可调的辐射环境，为精确评估电磁场的细胞分子学生物效用提供技术支撑。

2、本发明TEM小室设计为渐变结构，输入端通过同轴电缆线连接可调脉冲源发射器信号源，信号通过TEM小室过渡段到传输室，TEM小室传输室将信号均匀分布在中央芯板周围，终端匹配负载，能够保证位于中央芯板的待测细胞接受的电磁辐射的均匀性，对于精确研究不同的脉冲电磁场环境对细胞分子机制的调控具有重大的意义。

附图说明

图1为实施例用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统示意图；

图2为实施例TEM小室结构示意图；

图3为实施例中电磁仿真模拟TEM小室均匀辐射场环境图；

图4为研究TEM小室环境差异的造成的细胞学效应差异的实验具体实施图；

图5a为前列腺癌细胞(PC3)相对细胞活力水平对照组与实验组的差异图；

图5b为小鼠胰岛β细胞(MIN6)相对细胞活力水平对照组与实验组的差异图；

图6a为前列腺癌细胞(PC3)胞内相对活性氧水平对照组与实验组的差异图；

图6b为小鼠胰岛β细胞(MIN6)胞内相对活性氧水平对照组与实验组的差异图；

图7a为前列腺癌细胞(PC3)线粒体膜电位变化水平对照组与实验组的差异图；

图7b为小鼠胰岛β细胞(MIN6)线粒体膜电位变化水平对照组与实验组的差异图；

图中附图标记为：1-细胞孵育箱，2-TEM小室，3-可调脉冲发射器信号源，4-第一腔体，5-同轴电缆，6-终端匹配负载，7-主传输段，8-过渡段，9-中央芯板，10-终端吸收段，11-第二腔体。

具体实施方式

本发明提出了一种用于精确评估细胞电磁场生物效应研究的辐射培养箱系统。该系统将横向电磁场(TEM)小室整合在用于标准化细胞培养的二氧化碳孵育箱中(37℃恒温，95％空间湿度以及5％二氧化碳气体)，孵育箱箱体两侧腔体通过非金属材料密封后分别连接信号源的输入端和输出端。输入端通过同轴电缆线连接可调脉冲源发射器信号源，信号通过TEM小室过渡段到传输室，TEM小室传输室将信号均匀分布在中央芯板周围，输出端匹配负载，确保信号不发生反射从而保证小室的场均一性。该新型TEM小室整合培养箱系统不仅保证了细胞的标准生长环境，而且提供了可变的均匀的脉冲电磁场辐射环境，对于精确研究不同的脉冲电磁场环境对细胞分子机制的调控具有重大的意义。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1及图2中可以看出，本实施例用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统主要包括细胞孵育箱1、TEM小室2、可调脉冲发射器信号源3及终端匹配负载6，本实施例细胞孵育箱1为现有技术中的二氧化碳孵育箱。

本实施例二氧化碳孵育箱内温度可控、湿度可调并充满维持细胞培养液pH稳定的混合气体(5％二氧化碳气体和95％的空气)，除此之外还可以配有紫外灭菌装置，保证标准的细胞生长培养环境。TEM小室2包括壳体及位于壳体内部的中央芯板9，该中央芯板用于放置待测细胞，其几何中心与壳体的几何中心重合。壳体主要包括三部分，沿TEM小室的长度方向，分别为过渡段8、主传输段7和终端吸收段10，其体积匹配二氧化碳孵育箱箱体的内部空间，本实施例中TEM小室的最大高度为193mm，过渡段8水平长度为110mm，中央芯板9的总长度为440mm，位于主传输段的中央芯板9水平长度为220mm。本实施例主传输段7采用方筒状，过渡段8与终端吸收段11均采用四棱锥筒状。过渡段8的端口即四棱锥筒的锥部通过同轴电缆5连接可调的脉冲发射器信号源3，过渡段8采用缓慢渐变的结构，从图中可以看出，其口径从端口逐渐线性增大直至与主传输段7的口径相同，将渐变引起的不连续性造成的信号反射降到最低。为了避免信号反射引起噪声污染，整个波路设计为恒定波阻抗，终端吸收段11的端口通过同轴电缆连接位于细胞孵育箱体外部的终端匹配负载，也采用缓慢渐变的结构，从图中可以看出，其口径从主传输段的口径大小逐渐线性减小至终端吸收段的端口。同轴电缆线5的同轴线内外导体采用的是铜导体，内外导体之间填充聚四氟乙烯。细胞孵育箱1的侧壁上设有第一腔体4与第二腔体11，为保证箱体环境的稳定性，第一腔体4与第二腔体11均由非金属材料密封，当同轴电缆分别与过渡段8的端口及终端吸收段11的端口连接时，需要穿过第一腔体4及第二腔体11。

细胞培养皿放置在中央平行芯板9中心，使用全波电磁仿真软件模拟，保证细胞所接受的电磁辐射环境为均匀场，如图3所示，中心部位以及附近位置的场强可近似为：

其中v(t)为t时刻的信号源电压强度，h为TEM小室的总高度的一半。

利用本实施例辐射培养系统实现细胞电磁场生物效应评估的方法，包括以下步骤：

S1、准备正常生长状态的细胞样品或者经过药物刺激或基因修饰的细胞样品；

S2、将细胞样品培养在所需的细胞培养器皿中，该器皿无反射或者干扰电磁波信号；

S3、将培养有细胞的细胞培养器皿放置在TEM小室中央芯板的中心位置，确保受到辐射场环境均匀；

S4、在可调脉冲源发射器信号源设置所需的电压、频率、重频参数和辐射时间；

S5、使用相应的分子生物学手段进行效应评估。

下面结合具体实验对本装置系统的稳定性和可靠性做进一步的验证，搭建的实验装置如图4所示。

步骤1：培养两种正常生长状态的细胞系，分别为氧化应激效应敏感的小鼠胰岛β细胞(MIN6)和相对不敏感的前列腺癌细胞(PC3)，其中，细胞密度均约为1*10⁴个/100uL培养液。

步骤2：将两种细胞分别放置在本发明辐照培养系统的TEM小室内和位于开放环境的TEM小室中央芯板的中心，针对每种细胞分别具有一组对照组及三组实验组。

步骤3：将位于本发明辐照培养系统TEM小室内无辐射组作为对照组，实验组包括第一实验组、第二实验组及第三实验组，其中第一实验组为位于本发明辐照培养系统TEM小室内辐射组，第二实验组为位于开放环境的TEM小室内无辐射组，第三实验组为位于开放环境的TEM小室内的辐射组；两种细胞共八组实验，同时进行，分别将两种细胞的对照组及第二实验组静置1.5h，设置第一实验组和第三实验组的脉冲源发射器的参数为(30kV/m,300kHz,25pulse/min)，辐射时间设定为1.5h，进行辐射。

步骤4：以对照组结果作为100％，实验组结果表达为相对值，对比在对照组和实验组不同环境下两种细胞的相对细胞活力水平和相对胞内活性氧水平和相对线粒体膜电位变化水平。

从图5a及图5b可以看出，两种细胞在本发明辐照培养系统环境中，对照组和辐射组(第一实验组)细胞活力水平均无显著差异，当在开放环境中的TEM小室中加载辐射时(第三实验组)，两种细胞的细胞活力均有显著下降；从图6a及图6b中可以看出，ROS水平的变化在本发明辐照培养系统中更显著，并且在不加电磁场辐射下，开放环境本身就会对两种细胞胞内的活性氧水平产生一定的影响；从图7a及图7b线粒体膜电位变化水平看，在本发明辐照培养系统内和开放环境内加载辐射会造成完全相反的实验现象。该实验最终说明了开放环境本身会对细胞的氧化应激效应产生一定的影响，进而干扰由电磁辐射引起的细胞分子生物学效应，造成实验结论的不确定性。

本次所有实验结果可重复，说明开放TEM小室的辐射系统会造成具有争议的实验现象，进一步说明在细胞标准的培养环境下进行相关电磁辐射研究的必要性；除此之外新型二氧化碳培养箱系统的可靠性和稳定性，对于精确评估电磁场辐射下细胞分子生物学效应具有重要的应用价值。

Claims (8)

1.一种用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：包括可调脉冲源发射器信号源、细胞孵育箱、位于细胞孵育箱内的TEM小室及位于细胞孵育箱外且接地的终端匹配负载；

所述细胞孵育箱内温湿度可控，且其内部充满能够维持细胞培养液pH稳定的混合气体；

所述TEM小室包括壳体及位于壳体内部的中央芯板；

所述壳体沿壳体长度方向依次包括过渡段、主传输段及终端吸收段；所述过渡段的端口作为信号输入端，通过同轴电缆与可调脉冲源发射器信号源连接，过渡段的口径从信号输入端线性增大至与主传输段口径相同；所述终端吸收段的端口作为信号输出端，通过同轴电缆与终端匹配负载连接，终端吸收段的口径从主传输段口径线性减小至信号输出端口径；

所述中央芯板位于壳体内部，用于放置待测细胞，所述中央芯板的几何中心与壳体的几何中心重合。

2.根据权利要求1所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：与信号输入端及信号输出端对应的细胞孵育箱两侧分别设有第一腔体与第二腔体，第一腔体与第二腔体均通过非金属材料密封；一根同轴电缆穿过第一腔体，两端分别与可调脉冲源发射器信号源及过渡段的端口连接；另一根同轴电缆穿过第二腔体，其两端分别与终端吸收段的端口及终端匹配负载连接。

3.根据权利要求2所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：中央芯板中心部位的场强均匀分布，强度为：

其中v(t)为t时刻的信号源电压强度，h为TEM小室的总高度的一半。

4.根据权利要求3所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：所述主传输段为方筒状，所述过渡段及终端吸收段均为四棱锥筒；所述过渡段、主传输段的材质是不锈钢，δ＝1，δ为材质厚度，终端吸收段为吸波材料。

5.根据权利要求4所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：所述细胞孵育箱为二氧化碳孵育箱，其内温湿度及气体参数为：37℃恒温，95％空间湿度以及5％二氧化碳气体。

6.根据权利要求5所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：所述细胞孵育箱内设有紫外灭菌装置。

7.根据权利要求6所述的用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统，其特征在于：所述同轴电缆内外铜导体之间填充聚四氟乙烯。

8.基于用于细胞电磁场生物效应评估的辐射培养系统实现细胞电磁场生物效应评估的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备正常生长状态的细胞样品或者经过药物刺激或基因修饰的细胞样品；

步骤2、将细胞样品培养在所需的细胞培养器皿中，该器皿无反射或者干扰电磁波信号；

步骤3、将培养有细胞的细胞培养器皿放置在TEM小室中央芯板的中心位置，确保受到辐射场环境均匀；

步骤4、在可调脉冲源发射器信号源设置所需的电压、频率、重频参数和辐射时间；

步骤5、使用相应的分子生物学手段进行效应评估。

Images