[发明专利]用于确定测试物质对活细胞作用的高通量光学方法及系统

说明书

相关申请信息

本申请要求于2010年11月12日提交的美国临时专利申请No. 61/413,201的优先权，其整体并入作为参考。

发明领域

本发明一般涉及用于确定物质作用的方法，并且更具体涉及用于快速检测和测量物质在体外对活细胞的电生理学、致心律失常、变力和其他作用的方法和装置，其基于检测方案如收缩反应、光检测规划和定制的设定电刺激。

发明背景

现在用于评估药物在体外对心脏或其他生物组织的各种作用的方法，经常使用耗时且技术上复杂的细胞内记录技术。另外，在大多数情况下，这些评估一般一次一个地施加到合胞体的制剂或分离的细胞中。

通常情况下，对在缺乏和/或存在各种物质的条件下获得的细胞内记录进行比较，以证明这些不同的物质对肌肉纤维的心肌动作电位的作用。在其它方面，物质可以通过延缓心脏复极（表现为延长动作电位时程或APD）或加速心脏复极（表现为缩短APD）来影响肌肉纤维的心肌动作电位。

不幸的是，存在一些不足之处：目前获得这些细胞内记录的方法都难以维持；取得细胞内记录所用的实验都慢，主要是由于药物的平衡时间长，特别是对于心肌；并且细胞内记录需要从多个样本进行组织收集，以确保有足够的样本量。此外，这种方法不能评估物质影响收缩（许多可兴奋组织的固有属性）或兴奋性的变化（许多可兴奋组织的其他固有属性）的电位效果。

心脏复极延迟被认为是心脏致心律失常（尤其是尖端扭转型室性心动过速(Torsades-de-Pointes)）的替代标记。已经反复证明，物质延缓心脏复极的作用在较慢的刺激时被夸大了，效应被称为“反向使用依赖性”。不幸的是，物质在加速（或不规则）起搏时的作用通常是不被考虑。这可能是在评估涉及罕见的药物诱导多形性室性心动过速，被称为尖端扭转型室性心动过速的致心律失常风险中的关键，因为开始的节奏通常涉及一个不规则的刺激图案或早搏。

优选整体的细胞反应（如得自离体肌细胞的那些）以评估物质对身体的电生理学作用，因为在安全性或效果评估下基本不知道何种心脏离子通道或收缩蛋白可能受到化学物质和/或化合物的影响。

活细胞机械（即，扩张或收缩）响应刺激的能力，特别是电刺激，尤其依赖于细胞从之前的电刺激的恢复。换句话说，由电刺激导致的细胞扩张或收缩部分依赖于细胞从以前的电刺激“返回到正常的”偏差或复极的快速性。在心脏细胞的情况下，这种反应的能力称为不应性，与“心肌动作电位”紧密相关。

细胞的心肌动作电位可受多种因素影响。例如，物质引入/暴露于细胞已被证明对心肌动作电位有影响。某些物质，如药物和/或其他化学物质，可以延迟复极和延长心肌动作电位的持续时间被认为延长不应性。例如，加强任一内向离子（例如，钠或钙）流的物质可引起心肌动作电位的增加。在这样做时，这些物质限制细胞响应非常快速或过早刺激的能力。通过使用这样的物质不应性也可被延长，这是由于（1）外向复极流减少，或（2）通道进行兴奋性内向流的恢复的瞬时减少和/或延迟。

类似地，加速复极化和缩短心肌动作电位时程的物质被认为缩短不应性。不应性变动已与致心律失常相关。例如，复极延迟与心室致心律失常（包括尖端扭转型室性心动过速）相关，同时缩短心房复极（和不应性）与心房致心律失常（如心房扑动和纤颤）和心室纤颤相关。

虽然不应性变化可以由对离子电流的作用导致，但要理解物质对任何个别离子电流的作用不能充分预测对不应性的作用，因为多个离子电流可以以综合的方式作用来定义不应性，物质可能在不同的浓度以不确定的方式影响多个离子电流。因此，不应性的变化通常是在一个完整的、整体的细胞系统（例如，肌纤维）中评估的。然而，整体的细胞系统的不应性的变化的直接电生理检测（使用基于微电极或贴片电极的记录技术）和该变化的测量是繁琐的，在技术上是复杂的，不适合于较高通量。

因此，希望提供一种改进的方法，用于检测物质对身体的作用，它克服了目前所使用的方法的缺点。

本发明提供了评价药物对细胞（特别是心肌细胞）的作用（特别是电生理学作用），其不使用公知方法的技术要求苛刻的细胞内记录技术，同时以简单方式需要较少的样本用量，并且需要最小的技术专长。本发明还提供同时评估测试化合物对细胞的机械作用（特别是心肌收缩性）变化，同时研究电生理学参数（复极和兴奋性的变化）。