一、系统概述
经过三年的设计和测试,单细胞肌力测量系统问世了。她是电子学、力学和光学三个领域的艺术结晶,它为科学家的细胞研究带来了一种革命性的新型研究工具。生物可从多层面进行研究,如研究整个机体或某个特定的系统。我们现在可以掌握系统中单个器官或器官中的某一类型组织或构成组织的细胞的很多特性。要全方位了解某个系统,须通盘考虑所有方面。完全不同的系统需要一个平行的实验平台,细胞张力测量仪就是完成这样实验的一个平台。
单细胞肌力测量仪可以在不改变设备的情况下既用于测试单个活细胞,又用于一个小的多细胞标本和用于单个或者较大的去皮肌肉条标本的实验。还可以完成从单个活细胞到完整的多细胞水平的平移实验。例如,细胞肌力测量仪首次可以把结缔组织对肌肉功能的影响清楚地从肌肉作用中分离出来。相反,去皮允许对活细胞反应和另一个细胞进行直接比较,即亚细胞结构中收缩蛋白用于整个实验研究以掌握细胞信号和细胞生物化学机理。
单细胞肌力测量仪能为科学家提供全方位实验筛选并描绘出单个独立活细胞的生理、生物医学和生物物理学特性并将这些发现的结果扩展到亚细胞水平和多细胞水平。
二、系统工作原理
在倒置显微镜下,通过电子集成系统中的位置控制器,控制位于光学张力传感器和纳米马达上的显微镊子打开或关闭,夹持或释放旋转浴槽中的肌肉细胞。
当单细胞进行收缩或舒张时,会对位于张力传感器上的显微镊子产生牵拉并位移,力量的大小通过张力传感器感知,经过电子系统放大并转变为张力信号记录,通过软件计算力学指标的变化,Z终反映出的指标是毫牛(牛顿力学指标);
与钙成像系统结合使用时,通过压电式纳米马达的精确位移,对单细胞进行高速拉伸或松弛,以便观察细胞内钙离子的游离和结合比例;
本系统同时可以选择添加刺激器和电生理信号放大记录系统,通过刺激肌肉细胞产生收缩或舒张,并可以记录肌肉细胞动作电位的传播等电生理活动;
三、系统构成
单细胞肌力测量仪可放置任何标准倒置研究用显微镜的载物台上。显微镜的光学路径可以同时进行荧光测量或进行激光共聚焦成像。
1、纳米马达
该系统的核心是一对已校准的线性马达组合,它结合了一个可以提供纳米(nm)精度的纳米马达和一个达到纳牛(nN)灵敏度的光学张力传感器。每一个部件(马达和传感器)的前端都配备了一个可以远程控制的显微镊子用于固定或牵拉细胞。此外,一个至关重要的是,非细胞毒性粘附剂(MyoTak)可以使细胞或组织固定在我们希望的测试位置。
2、光学张力传感器
KG系列光学张力传感器可以测量细胞或组织张力,传感器感应张力范围0–5毫牛(0–0.5克)。Z高达到20nN灵敏度的传感器对测量单个心肌细胞有着非常重要的意义。不同测量范围的光学张力传感器,在其测量范围内都是非常坚固的,可以承受一定的超额张力,足以确保对光学传感器终身保修品质。
3、旋转浴槽
整个系统采用了一个*的旋转浴槽明显地改进了实验效能。旋转浴槽的设计旨在调整细胞在X平面和Y平面的位置,这样细胞本身的位置在附着于张力传感器和纳米马达的显微镊子固定细胞之前,不需要进行其它物理处理。旋转浴槽底部的固定浴槽直径为35毫米大小,玻璃底,可以进行细胞荧光测定,并可进行温度控制,温度范围为20-40度。旋转浴槽底部的抽提式移动浴槽直径同样为35毫米大小,玻璃底,可进行细胞荧光测定和温度控制。
4、显微镊子
显微镊子是单细胞肌力测量系统中细胞固定的必要设施,尤其是骨骼肌和平滑肌单细胞实验中。它主要通过电子集成系统中的位置控制器进行固定细胞的操作,打开时Z大张开口径20微米,关闭镊子时用于单细胞的固定。
5、信号调节放大器电子系统
WPI信号调节放大器电子系统是可以根据客户的需求定制的电子平台,它具有齿条可装框架8个通道,具有超静音和独自电源隔离特性。用于的SI-CTS200时,包括有纳米马达位置控制器,显微镊子开关,SI-BAM21-LCB桥式放大器,SI-AOSU抗震盒和SI-STCM2双通道温度控制模块。
中SI-CTS200中纳米马达和光学张力传感器非常灵敏,位置控制器用于打开和关闭位于上述两个设备前端的显微镊子,同时控制纳米马达的移动,该纳米马达用于拉伸和释放由显微镊子夹住的细胞或纤维。
SI-BAM21-LCB光学张力传感器放大器对光学张力传感器提供电源,输出一个与应用到张力传感器成比例的模拟信号,张力反馈信号可以通过系数1,2,5或10来放大以便对应用的力的微小变化提供更好的分辨率。抗震选项可以消除张力传感器的固有共振频率和用于不平行低噪音记录和保真度装配支撑套上固有的共振频率。张力传感器上的共振频率为250Hz该频率可以通过抗震装置予以消除;时间分辨力为7毫秒。当需要温度控制器时,可以使用SI-TCM2双通道温度控制器。其中一个通道可用于旋转浴槽底部的浴槽加热,另一个通道同时对其它可选系统,如系统内溶液进行加热。该模块使用数字控制以便保持恒温,同时具有高低温两个报警点,用户可以自定义。温度控制范围:20-60度;显示精度:0.1度;控制器分辨率为0.1度。
6、数据采集器硬件及软件
数据采集器硬件LabTrax8/16是一个16位模数转换器,可以编程以便激活Z多8个模拟输入、4个模拟输出和16个数字输入和16个数字输出。当与MDAC肌肉分析软件配合使用时,可以提供以下通道:
-四个模拟输入(从IN 1到IN 4),位于仪器的前面板;
-两个模拟输出(OUT 1和OUT 2),位于仪器后板;
-两个数字输出(OUT 3和OUT 4),也位于仪器后板。
数据采集分析软件,对单细胞机械力学指标,如等距收缩、等张收缩、达峰时间、力和速度关系、快速牵拉和舒张进行分析研究。
结合钙成像设备,并通过安装钙成像分析软件,可以对钙离子的游离和结合比例进行分析。
结合其它相关设备,并按照相关软件,可以对肌节长度的变化进行分析和研究。
四、系统应用研究领域
1、房性心律失常的机理研究:通过自律细胞的钙离子的测量,探究房性心律失常和药物ZL的原理。
2、慢性梗阻性肺部疾病(COPD)研究:用于研究该疾病支气管平滑肌的药物ZL和疾病机理。
3、细胞损伤模型的建立和研究:在运动医学研究中,可以尝试性建立骨骼肌单细胞损伤和疲劳模型及探究缓解和ZL的方法。
4、进行性肌营养不良的研究:从细胞层面对进行性肌营养不良的发病机理和ZL方法进行研究。
5、比较动物学研究:对进行基因转染后动物的肌肉细胞收缩性能如收缩、舒张或耐力进行比较研究。