[发明专利]细胞活性在线检测和药物筛选方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及检测细胞活性的在线监测、抗癌药物筛选领域。特别是涉及一种基于力学效应的纳米微悬臂梁及其在检测细胞活性和对抗癌药物进行快速筛选中的应用。

背景技术

化疗目前还是肿瘤的一项有效的治疗措施。但用于临床的抗肿瘤药物普遍存在选择性差、毒副作用大、易产生耐药性等问题，因此继续寻找选择性高、毒副作用小的抗癌药是抗肿瘤新药研究的重点。每年都有大量的植物提取物以及化合物出现，如何进行药物初筛仍是工作的一个重要环节。

细胞活性是判断体外培养细胞在某些条件下是否能正常生长的重要指标，如药物处理、放射性或紫外线照射、培养条件变化等。它是从事相关方面的科学研究的常用手段，更是体外筛选抗肿瘤药物和临床肿瘤药敏试验的重要方法之一。目前常用的方法有很多，如流式细胞仪、直接染色法、克隆形成试验、比色法等。然而这些传统方法都比较贵或无法量化细胞的活性而只能区分活细胞和死细胞。另外，这些方法当中有些需要荧光或放射性物质标记。而标记过程本身就很繁琐，标记往往会对细胞生理功能造成破坏从而影响对细胞重要的生物学信息的检测。因此，发展非标记、非侵入、经济、高效的方法来定量检测细胞的活性及其在药物作用下的变化情况对药物筛选尤其是对杀灭癌细胞的抗癌药物的筛选有着重要的意义。

本世纪初，在原子力显微镜(AFM)和微机电系统(MEMS)基础上发展起来一种基于力学效应的高灵敏度微悬臂梁生化传感技术，当其表面发生生物或化学反应时表面应力会发生改变，当这种反应控制在微悬臂梁的单侧表面时，其上下表面会产生一个应力差从而导致微梁的弯曲变形。通过预先在微梁的单侧表面上修饰一层探针分子就可以实现对能与探针分子 发生生物或化学反应的分子进行检测(图1)。这项技术无需使用任何荧光物质、放射性和酶作为反应示踪剂，消除了标记过程的影响，可以实时原位再现生化反应和生物活性变化的反应过程。利用光杠杆原理可以高灵敏度检测出微梁的这种弯曲变形，获得实时原位的探针分子与靶标分子反应过程信息。也可以用微梁共振的动态模式测量靶标分子与探针分子结合后微梁的质量增量引起的共振频率的漂移。传统的微梁传感方法都是利用以上应力模式或者共振模式来实现传感的。

作为一项高灵敏的传感技术，微梁传感虽然在分子检测方面有了很多的研究，但在细胞尺度的研究报道却几乎没有，而细胞对周围基质的作用(力)情况往往能反应细胞内在的一些信息。我们在本发明中提出将这项技术用于细胞的研究。我们在将此方法用于检测细胞是否存在时，发现微梁表面吸附细胞后，除了如预测的会产生应力所引起的静态弯曲和质量增加导致共振频率变化外，还发现了新的实验现象，即微梁的随机涨落会明显增强，而没有吸附细胞的裸梁基本没有什么涨落。因此本发明提出利用微悬臂梁涨落的结果来反应其表面细胞的活性情况。当具有活性的细胞在微梁表面时，其新陈代谢过程释放的能量会引起微悬臂梁的涨落，微梁涨落的幅度反应了细胞的新陈代谢的强弱，而新陈代谢的强弱反应了细胞的活性情况。从而实现对细胞活性的实时在线监测。涨落的幅度反应了细胞活性的大小，通过计算这种涨落的方差或振幅从而可以实现对细胞活性的定量检测。利用这一特性我们就能监测细胞在药物作用下的实时活性变化情况。当在同一个阵列上的不同梁上吸附上不同细胞时，在加入同一种药物时，还可以监测同一种药物对不同细胞活性的影响，从而可以实现高通量的药物筛选。

发明内容

本发明的目的是：提供一种微纳米微悬臂梁，其可用于检测细胞的活性并能模拟人体内部环境实现对能杀灭癌细胞的抗癌药物进行筛选，构建对细胞活性进行实时在线定量监测和对抗癌药物进行高效筛选的传感系统，结果准确可靠、快速便捷、成本低。