專利名稱：一種全自動膜片鉗電生理紀錄系統及記錄方法
技術領域：
本發明屬于膜片鉗技術領域，具體涉及一種全自動膜片鉗電生理紀錄系統及記錄方法。
背景技術：
膜片鉗技術是用于紀錄全細胞或個別細胞膜上離子信道電生理特性的研究方法，目的在于提供基礎研究知識與新藥開發時研究細胞電特性或小分子藥物對細胞膜上離子信道特性的影響，替開發標靶藥物提供一個測試平臺。傳統的細胞培養膜片鉗系統由人工操作，實驗人員在取得元代細胞(例如心肌細胞與神經元)后，將研究對象細胞養在玻片上，以手動方式將紀錄電極移動放置在胞體上方并壓到細胞膜上，此時紀錄電極在膜外溶液里的電阻大約為3-9 ΜΩ。細胞膜由雙層脂膜組成，具有密封絕緣的特性，因此當紀錄 電極接觸到細胞膜時電阻會開始上升，然后以人工方式對紀錄電極內施加一個負壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會加速上升，當紀錄電極的電阻達到千兆歐姆(Giga Ω)時，意味著細胞膜與電極之間幾乎沒有電流漏出，之后對電極內壓力施以一個快速的負壓將細胞膜吸破，這樣紀錄電極與細胞胞體之間會形成一個封閉的電容，此時就可以開始對細胞進行實驗。因為沒有電流從紀錄電極周圍漏出，就可以確保紀錄了細胞對刺激的實時反應，例如電流與電壓的變化等，并且還具有很高的時間分辨率與紀錄精度。人工操作電生理膜片鉗紀錄時，整個過程是相當耗費人力的，而且操作人員的技術熟練程度和經驗水平會影響實驗的成功率。針對上述問題，目前市場上已開發出一款自動膜片鉗紀錄系統，此系統利用微機電加工的方式開發出一種有許多孔洞的模版，每個孔洞里面含有細胞內液及紀錄電極，并且可以吸附一個細胞施以可調控的壓力，以此方式達到千兆歐姆電阻進行膜片鉗紀錄。但這種自動膜片鉗系統有如下應用局限性(1)僅能應用于懸浮細胞的紀錄，因此大部分的紀錄對象為癌化細胞，而對于需要貼壁生長的大多數正常細胞，現有的自動膜片鉗系統就無法紀錄；(2)在紀錄對象上，目前的膜片鉗系統只能紀錄胞膜形狀平整飽滿的細胞，大部分是工具細胞如癌化細胞，此類細胞有比較強的細胞膜可以禁得起各種人為操作，而許多具有研究價值的細胞(例如元代培養的神經元)胞膜較弱容易破裂，且胞體表面不規整，現有的自動膜片鉗系統難以派上用場。因此，迫切需要一種新型的全自動膜片鉗電生理紀錄系統來解決以上問題。

發明內容
發明目的本發明的目的在于針對現有自動膜片鉗系統的應用局限，提供一種新型的全自動膜片鉗電生理紀錄系統，使得更大一類非懸浮且胞體表面不規整的細胞也能實現電生理膜片鉗紀錄過程自動化。本發明的另一目的在于提供利用這種全自動膜片鉗電生理紀錄系統的記錄方法。技術方案本發明全自動膜片鉗電生理紀錄系統，包括核心處理裝置、樣品移動平臺、影像裝置、數模轉換放大裝置、機電控制微操作裝置、正負壓力裝置和紀錄電極；所述樣品移動平臺可以在X-Y平面上自由移動以實現將培養細胞置于所述影像裝置的中心點；所述影像裝置用于采集細胞的圖像信息；所述數模轉換放大裝置與所述紀錄電極相連，用于同時進行 電刺激與記錄，紀錄電阻與細胞電特性；所述紀錄電極固定在所述機電控制微操作裝置上，由所述機電控制微操作裝置帶動在三維空間內運動；所述正負壓力裝置用于對所述紀錄電極內部制造正壓與負壓；所述核心處理裝置利用所述數模轉換放大裝置測量的電阻值和所述影像裝置采集的圖像信息，移動所述機電控制微操作裝置和控制正負壓力裝置的閥門，完成全自動膜片鉗電生理紀錄的過程。所述影像裝置由單色攝影機、圖像采集卡和顯示器構成，用于采集細胞的圖像信肩、O所述機電控制微操作裝置由三軸微操組成，能在三維立體空間上運動；
所述正負壓力裝能對紀錄電極內部制造正壓與負壓，通過控制空氣閥實現氣壓的變化，如此可以控制電極頭吸附細胞的壓力大小與強度。利用上述系統對細胞進行千兆歐姆電阻后自動吸破細胞膜的最佳膜片鉗狀態記錄的方法，包括如下步驟
步驟201 開始；
步驟202:將培養細胞放置在樣品移動平臺上，操作樣品移動平臺使得樣品細胞進入到視距范圍內，并將紀錄電極置于細胞正上方，啟動膜片鉗電生理紀錄系統的自動操作；步驟203 核心處理裝置通過控制正負壓力裝置的空氣閥給出正壓，并且通過驅動機電控制微操作裝置帶動紀錄電極向下移動接近細胞膜；
步驟204 當影像裝置檢測到細胞膜凹陷到一定程度后，說明紀錄電極已經觸碰到細胞膜，此時停止機電控制微操作裝置的移動，同時移除正壓；
步驟205 等待30秒后，利用數模轉換放大裝置檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果電阻值上升到3倍，進行步驟206，否則轉到步驟207 ；
步驟206 核心處理裝置通過控制正負壓力裝置的空氣閥對紀錄電極內施加一個負壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會加速上升，當電阻值升到超過100ΜΩ時，停止施加負壓；
步驟207 驅動機電控制微操作裝置使得紀錄電極向下移動Iym;
步驟208 再次利用數模轉換放大裝置檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果能上升到3倍，轉到步驟206，否則進入步驟210 ；
步驟209 判斷在3-7分鐘內數模轉換放大裝置檢測到的電阻值是否達到千兆歐姆，如果達到千兆歐姆說明紀錄電極尖端與細胞膜之間形成高阻密封，進入步驟211，否則，轉到步驟210 ；
步驟210 當前操作失敗，提示操作人員重新開始實驗；
步驟211 利用數模轉換放大裝置給細胞加一電脈沖，使得細胞膜能夠破裂，這樣紀錄電極與細胞胞體之間會形成一個封閉的電容；
步驟212 檢測電阻是否降到低于100ΜΩ如果是，進入步驟213，否則說明當前樣本細胞膜較厚，需轉到步驟214 ;
步驟213 此時細胞膜已經吸破，可以對細胞進行實驗，紀錄細胞對刺激的實時反
應；步驟214 核心處理裝置通過控制正負壓力裝置施以一個快速的負壓抽吸而使細胞月吳破裂；
步驟215 再次檢測電阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，轉到步驟213，否則轉到步驟
210 ；
步驟216:結束。有益效果(I)本發明實現了電生理膜片鉗紀錄過程的全自動，節省了人力，提高了實驗的成功率；(2)本發明克服了現有自動膜片鉗系統的應用局限，既可以用于懸浮細胞的紀錄，也可以用于貼壁細胞的紀錄；(3)除了可以用于胞膜較強且胞膜形狀平整飽滿的細胞紀錄，本發明的膜片鉗電生理紀錄系統還可以用于胞膜較弱或不規整細胞的紀錄；
(4)由于加入了影像裝置，本發明不僅可以用于單細胞的電生理膜片鉗紀錄，還可以用于組 織切片(如脂片或心臟切片)的細胞電生理膜片鉗紀錄。


圖I為本發明的全自動膜片鉗電生理紀錄系統結構圖。圖2是采用本發明的全自動膜片鉗電生理紀錄系統流程圖。
具體實施例方式下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施例。實施例本發明全自動膜片鉗電生理紀錄系統，結構圖參見圖1，包括核心處理裝置101、樣品移動平臺102、影像裝置103、數模轉換放大裝置104、機電控制微操作裝置105、正負壓力裝置106和紀錄電極107。其中，所述樣品移動平臺102用于放置培養細胞，可以在X-Y平面上自由移動以實現將培養細胞置于所述影像裝置103的中心點。所述影像裝置103由單色攝影機、圖像采集卡和顯示器構成，用于采集細胞的圖像信息；由于細胞與非細胞有明顯的對比度不同，因此當細胞進入視距范圍內時通過圖像處理的方法可以識別出來，另外，對胞膜凸凹度的圖像處理也是細胞電生理膜片鉗紀錄的關鍵步驟。所述數模轉換放大裝置104與所述紀錄電極107相連，用于同時進行電刺激與記錄，紀錄電阻與細胞電特性；本發明的數模轉換放大裝置104能紀錄電阻與細胞電特性，利用此裝置紀錄電阻的阻值可以判斷紀錄電極107和細胞之間的距離，同時此裝置還能發出電脈沖用以刺破細胞膜。所述紀錄電極107固定在所述機電控制微操作裝置105上，由所述機電控制微操作裝置105帶動在三維空間內運動；本發明的機電控制微操作裝置105由三軸微操組成，能在三維立體空間上運動，配合影像裝置103，在胞體視距范圍內將紀錄電極107對準并接近細胞中心點。所述正負壓力裝置106用于對所述紀錄電極107內部制造正壓與負壓，通過控制空氣閥實現氣壓的變化，如此可以控制電極頭吸附細胞的壓力大小與強度。所述核心處理裝置101利用所述數模轉換放大裝置104測量的電阻值和所述影像裝置103采集的圖像信息，移動所述機電控制微操作裝置105和控制正負壓力裝置106的閥門，完成全自動膜片鉗電生理紀錄的過程。本發明的全自動細胞培養膜片鉗電生理紀錄系統利用數模轉換放大裝置104測量的電阻值和影像裝置103采集的圖像信息，對細胞實現全自動操作得到千兆歐姆電阻后自動吸破細胞膜的最佳膜片鉗紀錄狀態。紀錄電極107在機電控制微操作裝置105的帶動下逐漸接近并觸碰到細胞后，利用正負壓力裝置106提供的負壓形成高阻密封的全細胞記錄系統狀態，系統流程圖參見圖2，開始于步驟201，結束于步驟216
步驟201 開始；
步驟202 :將培養細胞放置在樣品移動平臺102上，操作樣品移動平臺102使得樣品細胞進入到視距范圍內，并將紀錄電極107置于細胞正上方，啟動膜片鉗電生理紀錄系統的自動操作；
步驟203 核心處理裝置101通過控制正負壓力裝置106的空氣閥給出正壓，并且通過驅動機電控制微操作裝置105帶動紀錄電極107向下移動接近細胞膜；
步驟204 當影像裝置103檢測到細胞膜凹陷到一定程度后，說明紀錄電極107已經 觸碰到細胞膜，此時停止機電控制微操作裝置105的移動，同時移除正壓；
步驟205 等待30秒后，利用數模轉換放大裝置104檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果電阻值上升到3倍，進行步驟206，否則轉到步驟207 ；
步驟206 核心處理裝置101通過控制正負壓力裝置106的空氣閥對紀錄電極107內施加一個負壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會加速上升，當電阻值升到高于100 ΜΩ時，停止施加負壓；
步驟207 驅動機電控制微操作裝置105使得紀錄電極107向下移動I μ m ;
步驟208 再次利用數模轉換放大裝置104檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果能上升到3倍，轉到步驟206，否則進入步驟210 ；
步驟209 判斷在3-7分鐘內數模轉換放大裝置104檢測到的電阻值是否達到千兆歐姆，如果達到千兆歐姆說明紀錄電極尖端與細胞膜之間形成高阻密封，進入步驟211，否則，轉到步驟210 ；
步驟210 當前操作失敗，提示操作人員重新開始實驗；
步驟211 利用數模轉換放大裝置104給細胞加一電脈沖，使得細胞膜能夠破裂，這樣紀錄電極107與細胞胞體之間會形成一個封閉的電容；
步驟212 檢測電阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，進入步驟213，否則說明當前樣本細胞膜較厚，需轉到步驟214 ;
步驟213 此時細胞膜已經吸破，可以對細胞進行實驗，紀錄細胞對刺激的實時反
應；
步驟214 核心處理裝置101通過控制正負壓力裝置106施以一個快速的負壓抽吸而使細胞膜破裂；
步驟215 再次檢測電阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，轉到步驟213，否則轉到步驟
210 ；
步驟216:結束。本發明系統在實際應用中，能快速推動和抽吸I吳片甜電生理紀錄系統，實驗成功率相似或超過一個訓練有素的實驗員手動執行盲目的細胞內全細胞鉗。上述圖2過程可以用現有技術中的編程方法實現，在此不作進一步限制。如上所述，盡管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細節上 作出各種變化。
權利要求
1.一種全自動膜片鉗電生理紀錄系統，其特征在于，包括核心處理裝置(101)、樣品移動平臺(102)、影像裝置(103)、數模轉換放大裝置(104)、機電控制微操作裝置(105)、正負壓力裝置(106)和紀錄電極(107);所述樣品移動平臺(102)可以在X-Y平面上自由移動以實現將培養細胞置于所述影像裝置(103)的中心點；所述影像裝置(103)用于采集細胞的圖像信息；所述數模轉換放大裝置(104)與所述紀錄電極(107)相連，用于同時進行電刺激與記錄，紀錄電阻與細胞電特性；所述紀錄電極(107)固定在所述機電控制微操作裝置(105)上，由所述機電控制微操作裝置(105)帶動在三維空間內運動；所述正負壓力裝置(106)用于對所述紀錄電極(107)內部制造正壓與負壓；所述核心處理裝置(101)利用所述數模轉換放大裝置(104)測量的電阻值和所述影像裝置(103)采集的圖像信息，移動所述機電控制微操作裝置(105)和控制正負壓力裝置(106)的閥門，完成全自動膜片鉗電生理紀錄的過程。
2.根據權利要求I所述的全自動膜片鉗電生理紀錄系統，其特征在于，所述影像裝置(103)由單色攝影機、圖像采集卡和顯示器構成。
3.利用權利要求I所述的系統對細胞進行千兆歐姆電阻后自動吸破細胞膜的最佳膜片鉗狀態記錄的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟201 開始； 步驟202 :將培養細胞放置在樣品移動平臺(102)上，操作樣品移動平臺(102)使得樣品細胞進入到視距范圍內，并將紀錄電極(107)置于細胞正上方，啟動膜片鉗電生理紀錄系統的自動操作； 步驟203 核心處理裝置(101)通過控制正負壓力裝置(106)的空氣閥給出正壓，并且通過驅動機電控制微操作裝置(105)帶動紀錄電極(107)向下移動接近細胞膜； 步驟204 當影像裝置(103)檢測到細胞膜凹陷到一定程度后，說明紀錄電極(107)已經觸碰到細胞膜，此時停止機電控制微操作裝置(105)的移動，同時移除正壓； 步驟205 等待30秒后，利用數模轉換放大裝置(104)檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果電阻值上升到3倍，進行步驟206，否則轉到步驟207 ； 步驟206 核心處理裝置(101)通過控制正負壓力裝置(106)的空氣閥對紀錄電極(107)內施加一個負壓，可以讓電極與胞膜之間吸附得更為緊密而電阻也會加速上升，當電阻值升到高于100 ΜΩ時，停止施加負壓； 步驟207 驅動機電控制微操作裝置(105)使得紀錄電極(107)向下移動I μ m ; 步驟208 再次利用數模轉換放大裝置(104)檢測電阻值是否上升到原來的3倍，如果能上升到3倍，轉到步驟206，否則進入步驟210 ； 步驟209 判斷在3-7分鐘內數模轉換放大裝置(104)檢測到的電阻值是否達到千兆歐姆，如果達到千兆歐姆說明紀錄電極尖端與細胞膜之間形成高阻密封，進入步驟211，否貝U，轉到步驟210 ； 步驟210 當前操作失敗，提示操作人員重新開始實驗； 步驟211 利用數模轉換放大裝置(104)給細胞加一電脈沖，使得細胞膜能夠破裂，這樣紀錄電極(107)與細胞胞體之間會形成一個封閉的電容； 步驟212 檢測電阻是否降到低于100ΜΩ如果是，進入步驟213，否則說明當前樣本細胞膜較厚，需轉到步驟214 ；步驟213 此時細胞膜已經吸破，可以對細胞進行實驗，紀錄細胞對刺激的實時反應；步驟214 核心處理裝置(101)通過控制正負壓力裝置(106)施以一個快速的負壓抽吸而使細胞膜破裂； 步驟215 再次檢測電阻是否降到低于100ΜΩ，如果是，轉到步驟213，否則轉到步驟210 ； 步驟216 結束。
全文摘要
本發明公開了一種全自動膜片鉗電生理紀錄系統及記錄方法。本發明系統包括核心處理裝置、樣品移動平臺、影像裝置、數模轉換放大裝置、機電控制微操作裝置、正負壓力裝置和紀錄電極，利用所述數模轉換放大裝置測量的電阻值和所述影像裝置采集的圖像信息，移動機電控制微操作裝置和控制正負壓力裝置的閥門，對細胞實現全自動操作得到千兆歐姆電阻后自動吸破細胞膜的最佳膜片鉗紀錄狀態。本發明可用于不規整細胞和貼壁細胞的紀錄，克服了現階段自動膜片鉗系統只能記錄懸浮與外觀規則細胞的局限。
文檔編號G01N33/483GK102866247SQ20121036207
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者蔣禮陽, 葉樺, 張晨, 孫曉潔 申請人:東南大學