[發明專利]一種原子力顯微鏡測量單個活心肌細胞動作電位及搏動力的方法

有效

• 申請號: 201610039845.0
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105527462B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 王作斌;張思微;王國梁;王馨悅;曲英敏;趙立;張楠;張志堅;董莉彤;宋正勛;翁占坤
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01Q60/40
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 成金玉,孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種原子力顯微鏡測量單個活心肌細胞動作電位及搏動力的方法，屬于工程技術領域。

背景技術

隨著納米技術的發展，原子力顯微鏡(AFM)作為納米尺度測量的重要工具，使得其在生物醫學中的應用成為可能，尤其是在對活細胞操縱及特性檢測的研究中，顯示了它相對于其他活細胞特性檢測技術獨有的優勢。

細胞的電生理特性是像心肌細胞、神經細胞等帶電細胞所具有的性質，測量此類細胞的電生理特性對心臟和神經等疾病的診斷，心肌和神經細胞的再生康復以及高通量藥物篩選等均可帶來重大突破，對心血管和帕金森等神經系統重大疾病的治療與防控具有極為重要的社會和經濟意義。

在現代生物醫學研究和應用中，往往需要進行生物電信號的提取。一般情況下可以通過電極采用一定的導聯方式來提取生物電信號，然后經特定的信號調理電路進行放大、去噪等處理后再對信號進行特征識別。隨著細胞培養技術和半導體微細加工技術的發展，以活細胞作為敏感元件的細胞傳感器和細胞芯片，已成為生物傳感器研究領域的一大熱點。已經有人將這種細胞傳感器用于環境監測、藥物篩選、新藥開發和基礎神經學等研究。國內外很多研究小組在從事關于細胞傳感器的研究，也已經有比較成熟的技術用于記錄細胞生理特性的研究。

在近幾年研究中，測量心肌細胞動作電位的技術主要有兩種。第一種是膜片鉗技術，自膜片鉗技術發明以來，被認為是測量細胞電生理的黃金標準。傳統的膜片鉗技術是由微吸管作為微電極來測量細胞的電壓或者電流特性。芯片膜片鉗技術能記錄不同細胞的全細胞電生理活動。雖然膜片鉗技術在測量細胞電生理時能夠獲得較好的信號結果，但是膜片鉗技術操作復雜，需要受過專業訓練的人來進行操作，并且在微電極與細胞之間沒有力反饋系統，對細胞影響較大，很難對細胞進行精確操縱。

微電極陣列能夠無損的、長時間記錄帶電細胞的電生理特性。細胞直接培養在微電極陣列上，細胞與微電極之間的界面對精確測量細胞動作電位信號有著重要的作用。但是微電極陣列中的電極位置固定，細胞隨機生長在電極上，所以很難定位電極與細胞的位置，從而不能測量選定細胞位置的電特性。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種原子力顯微鏡測量單個活心肌細胞動作電位及搏動力的方法，原子力顯微鏡具有精確的測力的功能，該方法將原子力顯微鏡的測力功能結合原子力顯微鏡導電探針來測量心肌細胞的動作電位及跳動力變化信號，該方法將原子力顯微鏡的力反饋系統結合納米尺度的導電探針來測量心肌細胞的動作電位及跳動力變化信號，通過原子力顯微鏡光杠桿測力原理及反饋信息，能夠精確定位細胞位置，在操作上具有高度靈活性，測量電極為納米電極，通過軟件程序實現探針恒力跟蹤細胞跳動，從而獲得較高信噪比電信號。

本發明的目的可以通過以下技術措施實現：一種原子力顯微鏡測量單個活心肌細胞動作電位及搏動力的方法，其特征在于：原子力顯微鏡導電探針作為納米電極，通過程序控制實現納米電極與跳動細胞表面恒力接觸測量心肌細胞的動作電位。在非恒力模式下同時測量心肌細胞的動作電位及搏動力變化信號。包括以下步驟：

(1)控制納米位移平臺，移動原子力顯微鏡導電探針及樣品臺，將原子力顯微鏡導電探針精確定位到目標心肌細胞上；

(2)在光學顯微鏡下，觀察心肌細胞狀態，移動原子力顯微鏡導電探針將其尖端放到待測細胞的正上方；

(3)設定軟件參數，使原子力顯微鏡導電探針與心肌細胞膜在非恒力模式下接觸，同時測量心肌細胞的動作電位及心肌細胞跳動的形貌變化；

(4)設定軟件參數及跟蹤模式，使原子力顯微鏡導電探針與心肌細胞在恒力模式下接觸，穩定測量心肌細胞的動作電位；

(5)設定軟件參數及跟蹤模式，在探針與心肌細胞恒力接觸模式下，測量心肌細胞在不同藥物下的動作電位：首先，測量一組未加藥物心肌細胞的動作電位波形，作為對照組；然后，向心肌細胞培養皿中直接加入ISO(異丙腎上腺素)藥物，測量心肌細胞動作電位；最后，向心肌細胞培養皿中直接加入ACh(乙酰膽堿)藥物，測量心肌細胞動作電位。

所述原子力顯微鏡導電探針為導電鉑探針，針尖為四錐形，針尖尖端半徑為20-25nm。

所述納米位移平臺為壓電陶瓷，位移范圍為100μm×100μm×100μm，移動精度為2nm，能夠實現精確定位。

所述步驟(3)中的軟件參數設定通過軟件編程實現，設定為使原子力顯微鏡導電探針進針以50nm的步長逐漸接近細胞，待針尖與心肌細胞膜接觸后，停止進針，同時測量心肌細胞的動作電位及跳動力變化信號。