[发明专利]研究高频电磁辐射对体外可兴奋细胞生物电效应的系统及方法

说明书

本发明研究高频电磁辐射对体外可兴奋细胞生物电效应的系统及方法，针对贴壁生长的培养细胞、利用电生理记录系统和显微镜观察系统，设计构建了太赫兹波自上而下，可以实现对贴壁生长的体外培养神经元及其它可兴奋细胞实时辐照太赫兹及其电生理特征的同步检测，系统操作简单，可重复性强。一方面我们将太赫兹源整合入电生理记录系统中，固定在电动三维显微操纵器上，实现自由、精确移动太赫兹源。同时，将肉眼不可见的太赫兹波和可见光激光定位瞄准器结合，确定太赫兹波照射位置。另一方面，通过控制电生理记录小室即培养皿的液面高度，减少太赫兹波在液体中的衰减程度，实现对神经元的实时照射并实时记录电生理学指标。

技术领域

本发明涉及生物医学领域，具体为研究高频电磁辐射对体外可兴奋细胞生物电效应的系统及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率范围在0.1～10THz，波长在3mm～30μm，介于毫米波和红外光之间的电磁波谱区域。它是目前电磁波谱中唯一没有获得全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。从能量上看，太赫兹波介于光子和电子之间,它具有很多独特的性质：①高透性，THz对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，比如陶瓷、碳板、塑料等；②低能性，THz光子能量为4.1meV(毫电子伏特)，仅为X射线光子能量的10⁷～10⁸分之一，该值低于各种化学键的键能，因此不容易破坏被检物质；③指纹谱性，THz波段包含了丰富的物理和化学信息，大多数极性分子和生物大分子的振-转能级跃迁都处在THz波段。根据这些特性，太赫兹在安检、通信、生物医学等方面的发展潜力不可小觑。

可兴奋细胞是指受刺激能够产生动作电位的细胞，包括神经元、肌细胞和内分泌腺细胞。这些细胞是机体适应外界环境关键的因素。例如，神经系统是包括人类在内的生物体最重要也是最复杂的系统。人类的意识、认知等高级脑功能也依赖于神经系统的正常运转。信息在神经系统传递的主要的方式是神经元上产生的动作电位和突触后电位等生物电信号，本质上也具有电磁特性。但是，目前对太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射源、太赫兹探测设备、太赫兹通信和太赫兹成像等方面，对于太赫兹在能够发放生物电的可兴奋细胞的生物效应，研究尚处于起步阶段。生物体内环境复杂，难以控制。因此，研究的样品通常采用离体原代培养的细胞——既保持了细胞基本的结构(如突触连接)和功能(动作电位发放能力)，又能相对于简化外界影响因素。这是研究太赫兹对整个可兴奋组织系统效应的必要阶段和环节。但现仍缺乏用于研究太赫兹即时照射及同步检测对体外培养可兴奋细胞生物电效应的系统及方法，亟需开发。

而对于太赫兹即时照射离体培养可兴奋细胞并同时研究其生物电效应，存在以下困难：(1)如何将太赫兹照射系统有机整合入电生理记录系统中，确保太赫兹照射系统能够从时间、幅度等方面可控照射离体神经元，而电生理记录系统又能够正常工作，获得生物电信号；(2)太赫兹波肉眼不可见，而能够用于检测太赫兹波空间分布的设备复杂，现有检测细胞生物电效应设备内空间有限，两者很难整合，如何确保太赫兹波照射到指定位置，便于电生理记录；(3)太赫兹波不能透过水，而离体培养细胞的存活又依赖于液体环境，如何尽可能保证太赫兹波能更多照射到细胞上。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种研究高频电磁辐射对体外可兴奋细胞生物电效应的系统及方法，可以实现对贴壁生长的体外培养神经元及其它可兴奋细胞(如心肌细胞、骨骼肌细胞和内分泌腺细胞)实时辐照太赫兹及其电生理特征的同步检测，系统操作简单，可重复性强。

本发明是通过以下技术方案来实现：

研究高频电磁辐射对体外可兴奋细胞生物电效应的系统，包括细胞体外维持和显微镜观察系统、电生理记录系统、THz发射系统和THz源可视化位移控制系统；