基本信息
- 項目名稱：
- 細胞的溫床--基于對新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統的研制
- 來源：
- 第十二屆“挑戰杯”作品
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 科技發明制作A類
- 簡介：
- 本作品針對現有微灌流技術的不足，設計出了一種機械穩定性能強、恒溫效果好、結構簡單、方便灌流液加入的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統。系統由核心部件細胞微灌流裝置和附屬部件恒溫水浴箱、負壓抽吸器及多通道灌流液輸送管組成，可應用于新鮮分離的細胞、培養的細胞和組織切片的灌流實驗。同時該系統也是一個可兼容多實驗裝置的實驗平臺，可廣泛用于生物、醫藥等領域。
- 詳細介紹：
- 在生物、醫學領域，對離體的活組織細胞實驗中，研究人員需要嚴格模擬在體環境，保持細胞或組織正常的形態學特征與機能學功能，以得到較為真實的實驗結果。在生命科學研究中，細胞、分子水平領域的實驗對灌流環境的要求非常高，而現行實驗室的細胞微灌流裝置的功能大多存在各方面不足。以膜片鉗技術為例，每次記錄通常要維持數十分鐘的細胞穩定鉗制，在記錄途中細胞一旦因機械干擾而脫落，就需要重新開展實驗，影響整個實驗進程。 經過我們總結，已有的灌流裝置主要存在以下五點不足： ①機械穩定性差。普通的灌流裝置使用培養皿承載細胞，灌流液沖擊到水面，使灌流液面不平穩，易擾動細胞，甚至沖走細胞。除此之外裝置各部件之間非錨定連接，位置不固定，在實驗過程中會發生機械振動或移位，這些因素是導致其機械穩定性差的主要原因。 ②恒溫效果的維持不佳。普通的恒溫灌流裝置使用類似冷凝管的結構（外行恒溫水，內行灌流液）。這種結構會使恒溫水的熱量大量散失于外界，造成溫度維持效率低下；同時，若用培養皿承載細胞或組織，其與空氣接觸面積大，熱量易散失，且無相應恒溫加熱器件，因此造成灌流液和灌流槽內恒溫效果較差。 ③灌流裝置與其他儀器的兼容性差。普通的恒溫灌流裝置組裝隨意，不具有與多種儀器進行合用的能力。因此不能滿足各種類型實驗的進行。 ④普通灌流裝置有實驗對象的局限性。例如，培養的細胞的實驗后再培養、以及離體組織切片在培養皿中易受液面影響等因素會對實驗對象的選擇造成影響。 ⑤普通的恒溫灌流裝置采用培養皿承裝細胞，其光學性能差，不利于對形態學的記錄；且培養皿壁為豎直設計，與斜行的電極會形成死角操作區，極大的限制了操作。 基于以上原因，我們設計了一種結構簡單、機械穩定性能好、方便灌流液加入、保證恒溫效果維持的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統。該系統的創新點表現在如下方面： ①機械穩定性能方面，本裝置的部件通過螺釘相互固定組合，同時我們通過將灌流液輸送管鑲嵌在金屬恒溫器內，排除了恒溫水浴泵的機械活動導致的灌流管的震動。 ②本系統采用雙恒溫系統，可以同步保證灌流液溫度及載物臺內溫度恒定。其實現方式有恒溫水加熱方案與恒溫水加熱—電加熱方案。恒溫水加熱方案采用熱介質閉合循環回路，巧妙地利用了恒溫水循環，使多通道管灌流液與載物臺恒溫；恒溫水加熱—電加熱方案是對恒溫水加熱方式的進一步改進。在恒溫效果不變的情況下，該方案可避免恒溫水在載物臺恒溫加熱器中流動而產生的振動，進一步加強了整個裝置的機械穩定性能。 ③我們的灌流裝置與其他儀器的兼容性好?？梢愿鶕枰獙⒀b置固定在平板支架上，也可以固定在正置、倒置顯微鏡上?？梢詫崿F組織切片、培養于蓋玻片上的細胞和新鮮分離的單細胞實驗的穩定灌流。同時在顯微鏡裝有攝像系統的條件下，可以通過監視器施行微操作，也可同步獲得形態學和影像學資料。例如可識別綠熒光蛋白轉染的細胞，或進行鈣成像實驗等。 ④本系統核心部件——細胞微灌流裝置采用光學蓋玻片承載細胞，光學性能好，可以根據實驗需要方便更換細胞，同時實驗后可取出細胞進行再培養，再觀察。另外，灌流速度和液面高度可以根據實驗需要而人為調控。進行組織切片實驗時，降低液面可以減少組織切片漂??；加快灌流速度的同時在灌流液中充入氮氣即可降低細胞外環境的含氧量，由此可構建缺氧實驗模型。除此之外，灌流槽的大小可更換，可以根據實驗的需要以及藥品量的需要進行選擇大小型號不同的配套灌流槽。節省了實驗的成本和消耗。 ⑤灌流槽外緣淺中間深的斜坡設計，可以方便電極置入，且不留死角，避免出現操作盲區。同時斜坡設計可防止灌流液滴入過程中對液面造成的波動，使液面更好的維持穩定。 綜上所述，本作品作為一種可應用于新鮮分離的細胞、培養的細胞和組織切片的灌流實驗，應用前景廣泛，可運用于如胞漿鈣成像，測量胞漿內的鈣濃度；進行心肌細胞的動作電位和收縮力的同步記錄，即電生理活動和機械活動的同步記錄；通過本系統結合膜片鉗技術可提取單細胞胞質，進行單細胞real-time RT-PCR技術；通過本系統可以記錄胚胎心臟或心肌片、腦片的表面電位；通過本系統還可以進行缺氧的實驗。因此，本系統是一個優點眾多、實用性強、成本較低、可兼容多實驗裝置的實驗平臺，推廣后必將為于生物、醫學等研究領域的科研工作者帶來很大的便利。
作品圖片
作品專業信息
設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發明目的以及基本思路： 目前國內外使用到的膜片鉗灌流裝置的機械穩定性、恒溫效果、多裝置兼容性、實驗對象選擇性和光學性能普遍較差。為了克服這些問題，我們設計出一種由螺釘連接各組件的機械穩定性能強的細胞微灌流裝置，用光學性能好的蓋玻片代替培養皿承載細胞或組織以獲取更好的光學效果，同時還可實現細胞的實驗后再培養。 創新點： ①灌流裝置有很強的機械穩定性。 ②細胞微灌流裝置采用光學蓋玻片承載細胞，光學性能好，同時可實現實驗后再培養。 ③灌流速度可而人為調控。加快灌流速度的同時在灌流液中充入氮氣即可降低細胞外環境的含氧量，由此可構建缺氧模型。 ④采用雙恒溫設計，可以同步保證灌流液溫度及載物臺內溫度恒定。其實現方式有恒溫水加熱方案與恒溫水加熱—電加熱方案。 ⑤灌流槽的大小可以根據實驗的需要以及藥品量的需要進行選擇。節省了實驗的成本和消耗。 ⑥灌流槽外緣淺中間深的斜坡設計，可以方便電極置入，且不留死角，避免出現操作盲區。同時斜坡設計可防止灌流液滴入過程中對液面造成的波動，使液面更好的維持穩定。 技術關鍵： 本系統中主要技術關鍵在于微灌流裝置的載物臺的制作。在該載物臺的制作過程中要求有高精密的制作儀器，以保證各部件之間契合良好，不留縫隙、不松動。同時載物臺的定位臺下方的硅膠圈的制作也需要高精密的儀器完成，否則會影響密封性能，導致灌流液外漏。 技術指標： 以膜片鉗實驗為例，在實驗過程中，鉗制住細胞后60min內細胞不發生任何移動，且液面無波動。
科學性、先進性
- 作品科學性： 1.利用新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統結合膜片鉗技術研究了小鼠胚胎心肌細胞的Na+ 和If 通道的分子表達和功能表達的發育依賴性變化。目前已完成兩篇SCI論文，其中一篇已收稿于Circulation Journal 雜志，另一篇正在審稿中，這證明了該裝置的科學性和可靠性。 2.本系統可運用于生命科學各領域中急性分離細胞、培養細胞和離體組織切片的恒溫灌流實驗，該系統可極好的保證細胞或組織切片的生理活性，從而保證了實驗的進行。 3.本系統尤其適用于通過膜片鉗技術研究細胞離子通道，能夠長時間穩定維持微電極與細胞之間形成的高阻封接。改善了目前國內外膜片鉗灌流裝置中的諸多現存不足。 作品先進性： 根據文獻報道，我們對比了國內外已有的恒溫灌流裝置，并結合教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告，可知本系統的研究方法和技術達到國際先進水平，且目前在國內外尚無類似裝置存在。
獲獎情況及鑒定結果
- 1.本作品在2011年湖北省第8屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽中獲特等獎。（附件3） 2.本作品的相關研究論文《Molecular and functional changes in voltage-gated Na+ channels in cardiomyocytes during mouse embryogenesis》被Circulation Journal 雜志收錄。（該雜志2010年影響因子為2.692；收稿通知見附件11） 3.根據教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告，可知本作品和研究內容在國內外處于領先地位。（附件4） 4.中國科學院韓濟生院士，德國國家科學顧問、歐盟干細胞研究首席科學家、德國干細胞研究協會主席、中國國務院學位委員會批準的“名譽博士”、“海外名師項目”獲得者Juergen Hescheler 教授為本作品給予了高度評價。（附件5-6） 5.北京理工大學生命科學院、北京現代生物醫藥技術重點實驗室、蘇州大學醫學生物技術研究所、哈爾濱工業大學生物醫學工程中心對本作品進行了試用，并提供了相關鑒定證明（附件8—10）。同時，本團隊已和成都泰盟科技有限公司達成初步協議，為本作品進行產業化推廣（附件7）。
作品所處階段
- 本作品處于中試及產業化協商階段。
技術轉讓方式
- 技術入股，保留自主知識產權。
作品可展示的形式
- 實物、圖片、視頻、裝置圖、現場演示等。
使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 該作品是精密機械加工裝置。部件之間用螺釘固定，灌流管鑲嵌在導熱金屬凹槽中，防震性能很強；灌流液和灌流槽雙恒溫，灌流液流出管口至灌流槽距離短，可避免室溫的影響；可更換承載培養細胞的蓋玻片，使組織片、分離和培養細胞灌流都成為可能；所有部件均可消毒，標本可再培養并做后續實驗；可通過多通道灌流管同步灌流多種藥品；液面深度人為可調；光學玻璃為槽底，通過攝像系統可進行圖像監測和照相；灌流槽有不同規格，小型號適用于昂貴藥品或缺氧的灌流；系統可安裝于支架、正置或倒置顯微鏡上使用；灌流槽的斜坡設計，方便探頭置入，避免出現操作盲區。本作品適用于生命科學領域的活組織切片和單細胞水平的灌流實驗?？稍谕唤M織或同一細胞上進行以下不同的研究：膜片鉗-跨膜電位-表面電位-鈣成像-取胞漿液做單細胞PCR-細胞染色照相-同步測定肌肉收縮。所以該裝置有廣泛推廣前景。技術性方面對加工工藝要求較高，我們在國內公司試制已成功。直接經濟效益是提供給大學、研究所、制藥學、畜牧業等使用。間接經濟效益是在生命科學領域產生的的研究成果。
同類課題研究水平概述
- 國內研究水平概況： 根據教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告（附件4）的查新結論可知，國內僅存在少數對細胞恒溫灌流技術的相關研究，且各科研單位并未形成統一的恒溫灌流系統標準，裝置效能參差不齊。而本課題的研究內容在國內外均未見相同報道，只見于本團隊所在的實驗室。 在細胞恒溫灌流領域，國內大多數實驗室采用的是灌流槽和培養皿，其機械穩定性和光學性能與我們所用的系統相比較差，且不利于與倒置顯微鏡配合使用。 在2008年，鐘平研制了一種較為穩定、高效的四通道灌流系統(簡稱STD-1型灌流系統)。此種灌流裝置具有灌流速度快，浴槽中液面較為平穩等優點，但較我們設計的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統，主要有以下明顯不足： 1.設備機械穩定性差。裝置沒有機械固定組件，易受外力影響。 2.灌流溫度控制能力差。此設備缺乏載物臺控溫組件，實驗僅限在室溫（20-24°C）條件下進行，難以模擬體內環境。 3.裝置光學性能較差。其使用浴槽承載細胞，不利于實驗的形態學記錄。 趙玉峰等人于2010年申請了兩項關于細胞恒溫灌流裝置的國家專利，其中一項專利名為“一種細胞恒溫灌流裝置”，其將灌流管卷曲纏繞內置于水浴箱內，灌流管入口連接灌流給藥裝置；灌流管出口連接灌流槽；水浴箱通過循環水管聯通恒溫水循環泵。與本系統類似的是，它同樣使用了恒溫水循環裝置，但是較本系統而言，仍存在一定不足，如下所示： 1.灌流溫度控制能力較差。此裝置沒有載物臺控溫組件，恒溫效果相對不足。 2.裝置光學性能較差。其使用培養皿承載細胞，不利于實驗的形態學記錄。 3.灌流通道數目單一。其采用單通道灌流方法，只能在同一時間灌流一種液體。 除此以外，此專利缺乏對機械穩定性的詳細報道。 國外研究水平概況： 目前美國Warner公司的一款恒溫系統TC-324B/TC-344B型單/雙溫度控制器是目前國際上應用于膜片鉗技術的最先進恒溫灌流系統。但是與我們的發明相比，此款裝置的附屬部件無相應的固定裝置，其機械穩定性能較差，且無多通道灌流功能，同時價格昂貴，性價比較低，不利于在國內進行廣泛推廣。
