[发明专利]基于中空纤维膜的细胞活性小分子连续监测装置和方法

说明书

本发明涉及生物医学设备领域，公开了一种基于中空纤维膜的细胞活性小分子连续监测装置和方法，该装置为多层膜结构的中空柱由内至外依次包括细胞贴附层、中空纤维膜、基础导电层和生物传感层。对细胞的活性小分子代谢物连续监测的方法为：利用该装置的中空纤维膜结构隔离细胞生长位置和传感检测层，同时利用孔洞互相连通的特性快速准确地捕获细胞受药物刺激产生的一氧化氮或过氧化氢等活性小分子，实现细胞活性小分子代谢物的实时连续监测，该装置具有更高的灵敏度和准确性，为深入研究细胞药物响应机理提供更丰富依据。

技术领域

本发明涉及生物医学设备领域，具体涉及一种基于中空纤维膜的细胞活性小分子连续监测装置和方法。

背景技术

细胞是生物体形态结构和生命活动的基本单元，生物体所有的表观变化过程都会在相应的细胞的结构和成分以及细胞的新陈代谢产物中得到反映，其中存在一些具有特殊生理功能的活性小分子物质，如活性氧分子(ROS)和活性氮分子(RNS)等。此类生物活性小分子物质表现出特殊的生理调控功能，它们在细胞的生长过程中不断产生与消耗，控制细胞的增殖、分化与凋亡，并参与细胞的信号转导、多种因子生物学效应的启动，对生命过程起着至关重要的影响。近年来，随着人们对生命科学研究的越发深入，对细胞内的重要小分子物质的功能研究越来越引人关注，原位、实时、定量检测活细胞释放的小分子的含量和性质，进一步探究此类活性小分子如何调节细胞功能以及进一步的疾病诊断、抗癌抗衰老药物的设计等领域具有重要的理论指导意义。

原位实时动态检测细胞释放的RNS和ROS对于研究多种生物学功能是非常重要的，也有利于进一步构建快速疾病诊断和药物传递的新方法。然而，RNS和ROS在生物体系中扩散快、半衰期短、浓度低且活性高可与氧气或其他含金属蛋白发生反应等，这使得原位实时定量检测RNS和ROS成为了分析化学中的一大挑战。目前，多种生物活性信号分子测定技术得到广泛发展，例如，分光光度法、化学发光、表面增强拉曼光谱、电子顺磁共振光谱等，然而这些方法或多或少存在成本高、耗时以及样品前处理复杂等不足。电化学方法和化学发光法是公认的较可靠的能实现直接检测RNS和ROS的方法。

近年来，研究者通过一些化学发光剂(如联吡啶钌、鲁米诺、光泽精等)的作用使得RNS及ROS的化学发光大幅增强，进一步提高检测灵敏度、增大检测的线性范围，并且化学发光探针由于无荧光背景和各种散射的干扰，在细胞中微量或痕量活性物质的检测中表现出自己的优势。与化学发光法相比，电化学方法表现出实时、快速、操作简易、成本低、仪器微型化等优点，因此，更适合于原位实时检测RNS和ROS，同时可避免对活细胞新陈代谢和相关生理活动的干扰与破坏。目前众多生物电化学检测方法表征方法主要依赖循环伏安法，操作步骤繁多，不能实现连续的实时的动态研究，缺少贴近临床的实验数据支持，其测试环境依托电解池，与真实生物环境差异较大，在方法与技术表征上都具有很大的局限性，限制了细胞微环境电化学研究在肿瘤细胞生物学研究及药物筛选中的推广应用。

CN102199535A公开了一种非侵入式连续监测动态细胞数量或浓度的装置与方法，该装置包括细胞培养液供给系统、上游理生化指标探测或连接头、细胞培养装置、下游理生化指标探测或连接头、流体推动器、废液系统，通过上、下游培养液中目标物质的浓度变化、细胞培养液的连续灌注流速等数据获取细胞培养过程对该目标物质的代谢率，从而实现实时监测整个细胞培养系统的目的。

细胞在培养皿生长过程中会因药物刺激、环境变化等原因产生过氧化氢，一氧化氮等小分子标志物。培养过程中培养液基本处于静止状态，易在培养液内形成浓度梯度，即靠近细胞的培养液中过氧化氢、一氧化氮含量高；远离细胞的培养液中过氧化氢、一氧化氮含量低。因此如果将传感器随意布置在培养液内所检测到的浓度与细胞周边微环境实际浓度还存在一定差异。

另一方面，细胞在受到药物刺激所产生的过氧化氢、一氧化氮等活性小分子的含量非常低，因此必须要将检测传感器尽量贴近细胞才能测得细胞周边小分子标记物的实际浓度。另外，持续的电压施加会对细胞生长产生不利因素，从而导致细胞生长背离原有趋势，因此细胞也不能在电极上直接生长。

发明内容