一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件及其应用，属于生物传感及生物电信号检测器件技术领域。该器件包括细胞培养凹糟、生物兼容的导电沟道材料、一对金属电极和基底；所述基底为矩形层状结构，一对金属电极布置于基底上表面的相对两侧，基底上表面的中间矩形区域设置生物兼容的导电沟道材料层，且该导电沟道材料层的两个相对侧各与一个金属电极相接触，在生物兼容的导电沟道材料的上表面设置细胞培养凹槽。该器件采用工程化肿瘤细胞作为生物传感元件，与导电沟道材料可形成面向体外抗肿瘤药物药效评估的生物融合传感架构，用于新药发现或药物筛选初级阶段的体外基于细胞试验的抗肿瘤药物的简易药效评估方法。效评估方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件及其应用


[0001]本专利技术涉及生物传感及生物电信号检测器件
，具体涉及一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件及其应用。

技术介绍

[0002]肿瘤具有高发病率和致死率，其已逐渐成为世界上非常严重的公共健康问题之一。根据GLOBOCAN发布的关于癌症统计数据的报告，2020年，全世界范围内大约有19,300,000人被诊断为癌症且约有10,000,000人因癌症而死亡。化疗是最常见的癌症治疗方法之一，其能够有效地延长癌症患者的寿命。化疗主要是依靠抗肿瘤的化学药物攻击肿瘤细胞，因此，化疗也对快速有效的药效评估提出了新的需求以降低新药研发的资金和时间成本。
[0003]临床前药效评估通常包括体内试验和体外试验。体内的药效评估研究了药物对整个生物体的疗效，是有效治疗适应症的重要依据，是临床用药前的主要参考。然而，体内药效评估需用到动物模型，因此需要较长的研究周期和较高的时间成本。而基于细胞试验的体外药效评估是了解药物作用效果和机制的过程之一，是新药研发的关键步骤，并且体外药效评估凭借其成本效益和较短的研究周期优势在医药产业、生物研究和医学治疗领域吸引了广泛的关注。
[0004]基于体外细胞的试验能够揭示抗肿瘤药物毒性引起的细胞生理状态的直观变化，更好地反映受试药物对肿瘤细胞的整体疗效。多项研究表明，在基于细胞试验的药物筛选和毒性测试中，抗肿瘤药物最直观的效用是细胞活性变差和存活率降低，这也是早期药物发现中最关键的步骤之一。因此，当前研究中已经出现了许多基于细胞试验的药效评估方法，这些方法主要可以分成两类，分别是通过电生理检测和借助光学技术进行药效评估。但是，这两类方法的应用均受到了其固有特性的限制。在基于电生理检测的药效评估中，常见的膜片钳方法存在侵入性和低通量等不足，而微电极阵列通常用于放电细胞(例如神经细胞和心肌细胞等)相关疾病的药效评估。借助光学技术进行药效评估时，常见的方法有活/死染色、比色测定法和荧光方法，但是这些方法往往依赖化学试剂(例如化学染料、荧光素酶底物等)，更需提及的是，这些技术方法只能获取非常有限的时间端点信息，即加药前和药物作用一定时间之后两个端点的药效信息，无法监测细胞在药物作用下的实时的状态变化。
[0005]因此，研发一种无损的、高通量的、简单有效的体外药效评估器件，并将其用于实时抗肿瘤药物评估具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术的目的是提供一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件及其应用，通过构建遗传学工程化的肿瘤细胞及其与机电系统的长久稳定的融合接口从而实现操作简便的、快速的、无损的、高通量的、实时的抗肿
瘤药物的药效检测，推动体外基于细胞试验的药效评估、新药研发和药物筛选等研究的发展。
[0007]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0008]一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，包括细胞培养凹糟、生物兼容的导电沟道材料、一对金属电极和基底；所述基底为矩形层状结构，一对金属电极布置于基底上表面的相对两侧，基底上表面的中间矩形区域设置生物兼容的导电沟道材料层，且该导电沟道材料层的两个相对侧各与一个金属电极相接触，在生物兼容的导电沟道材料的上表面设置细胞培养凹槽，该凹槽的底面即为生物兼容的导电沟道材料的上表面。
[0009]该评估器件中，一对金属电极分别通过金属引线连接至外部电学记录装置，该器件的输出电流信号经过金属电极由外部电学记录装置进行检测。
[0010]所述细胞培养凹槽由对活体细胞无毒、稳定性强的固化胶材料制作形成，且凹槽侧壁的高度能防止细胞液外流。所述固化胶材料优选为聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化胶。
[0011]所述的生物兼容的导电沟道材料层具备良好的生物兼容性和液体环境下的稳定性，可与细胞形成致密融合，同时具有良好的导电性能。所述生物兼容的导电沟道材料优选为石墨烯。
[0012]所述生物兼容的导电沟道材料层是通过生长或者转移方式制备于带有金属电极对的基底上表面的中间区域，其尺寸应满足两侧边缘能够与各边的电极相连。
[0013]所述金属电极为一种纯金属制成，或者所述金属电极由一种以上金属叠层而成；所述金属电极是利用生长、金属层沉积
‑
光刻或其他任何方法将金属材料制备在基底上表面的两侧各形成一个金属电极。
[0014]所述基底能与一对金属电极和生物兼容的导电沟道材料结合。
[0015]所述基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件应用于体外抗肿瘤药物的药效评估，应用过程如下：首先，将工程化的肿瘤细胞接种至装有细胞培养液的细胞培养凹槽中，细胞经过持续培养后与导电沟道材料形成致密融合；给工程化肿瘤细胞施加物理刺激，由外部记录装置记录该情况下器件的输出电流；然后，在细胞培养液中加入一定浓度的待测试抗肿瘤药物并作用一定时间，再通过外部电学记录装置再次对器件的输出电流进行检测，两次检测信号的差异则用于评估抗肿瘤药物的药效。
[0016]作为生物传感元件的工程化肿瘤细胞是相应抗肿瘤药物能够有效杀灭的肿瘤细胞，并且要经过遗传学工程化具备对某种物理刺激敏感的功能，即异源表达敏感蛋白，通过该敏感蛋白能够将外界的物理刺激转化成生物电信息。
[0017]所述物理刺激要与肿瘤细胞上异源表达离子蛋白的敏感物理刺激一致，且强度能够打开该离子蛋白通道。
[0018]所述细胞培养液中要含有维持细胞存活的营养物质，并且能溶解加入的抗肿瘤药物以形成含有一定浓度扛肿瘤药物的培养液。
[0019]细胞遗传学工程化：通过给普通模式细胞转染敏感蛋白的遗传物质获得异源表达了敏感跨膜蛋白的工程化细胞；
[0020]工程化细胞的接种与培养：将工程化细胞接种至细胞培养凹槽并用细胞培养液持续培养，直至细胞与生物兼容的导电沟道材料形成致密融合。
[0021]本专利技术的设计机理如下：
[0022]将遗传学工程化的肿瘤细胞接种至该细胞培养凹糟，细胞经过持续的培养后与导电沟道材料形成致密融合；在工程化细胞敏感的物理刺激下，工程化的肿瘤细胞会迅速打开其膜上的敏感蛋白通道，细胞内外的离子交换使其发生去极化，细胞内外的电势差发生变化影响其外部的电双层结构，从而调控了导电沟道材料的表面电势，进而从一对金属电极引出的器件的输出电流也发生变化，该电流信号经过金属电极由外部电学记录装置进行检测；当在细胞培养液中加入抗肿瘤药物之后，在相同的工程化细胞敏感的物理刺激下，器件的输出电流与加药之前相比会发生显著变化，器件输出电流在加药前后的显著差异即能够评估该抗肿瘤药物对于肿瘤细胞的杀灭效果。
[0023]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0024]1、本专利技术利用遗传学异源表达技术，通过转染敏感蛋白可实现肿瘤细胞的敏感工程化，获得对相应物理刺激快速响应的稳转敏感细胞系，从而实现对该肿瘤细胞生理状态的实时的监测。
[0025]2、本专利技术利用生物兼容的导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：该器件包括细胞培养凹糟(2)、生物兼容的导电沟道材料(3)、一对金属电极(4)和基底(5)；所述基底为矩形层状结构，一对金属电极布置于基底上表面的相对两侧，基底上表面的中间矩形区域设置生物兼容的导电沟道材料层，且该导电沟道材料层的两个相对侧各与一个金属电极相接触，在生物兼容的导电沟道材料的上表面设置细胞培养凹槽，该凹槽的底面即为生物兼容的导电沟道材料的上表面。2.根据权利要求1所述的基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：一对金属电极分别通过金属引线连接至外部电学记录装置，该器件的输出电流信号经过金属电极(4)由外部电学记录装置(9)进行检测。3.根据权利要求1所述的基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：所述细胞培养凹槽(2)由对活体细胞无毒、稳定性强的固化胶材料制作形成，且凹槽侧壁的高度能防止细胞液外流。4.根据权利要求3所述的基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：所述固化胶材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)固化胶。5.根据权利要求1所述的基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：所述的生物兼容的导电沟道材料层(3)具备良好的生物兼容性和液体环境下的稳定性，可与细胞形成致密融合，同时具有良好的导电性能。6.根据权利要求5所述的基于工程化肿瘤细胞的抗肿瘤药物药效评估器件，其特征在于：所述生物兼容的导电沟道材料层是通过生长或者转移方式制备于带有金属电极对的基底上表面的中间区域，其尺寸应满足两侧边...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘连庆，杨佳，王文学，于鹏，祖立鹏，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：