味覺細胞模型及仿生味覺細胞網(wǎng)絡傳感器的研究.pdf

1、味覺感受細胞是味覺敏感的基本單元，實現(xiàn)味覺中化學一電信號轉換等重要的前期信息處理功能。研究表明酸、甜、苦、咸和鮮味味質能刺激味覺感受細胞產生動作電位，放電模式可被用于味覺特征的編碼。而且味覺感受細胞和味覺神經纖維的響應有很多相似點，表明味覺感受細胞產生的動作電位可能是味覺信息傳遞到味覺神經纖維的主要組成部分。其電活動對于味覺信息的前期處理起主導作用。對味覺感受細胞離子通道的研究能夠在分子水平上揭示味覺感受細胞興奮性的功能和機制。味覺感受

2、細胞膜上存在多種電壓門控離子通道。實驗證據(jù)表明電壓門控離子通道作為味覺感受細胞興奮性的分子基礎，在味覺信息的前期編碼和處理中具有重要意義。
　　 味覺感受細胞對于生理味質刺激的響應可借助全細胞膜片鉗、細胞粘附式膜片鉗技術和基于膜片鉗的胞外記錄技術進行記錄。然而由于受這些實驗技術的限制，目前對于味覺物質刺激下單個味覺感受細胞產生的動作電位及其離子機制、放電模式以及它所攜帶的味覺信息了解甚少。這些事實提示，對細胞和亞細胞水平上的前期

3、味覺功能及其機理的研究需要結合理論和實驗等多種手段，包括計算機建模和仿真技術和仿生細胞傳感器，多角度協(xié)同進行研究。
　　 本文基于膜片鉗全細胞記錄以及單通道記錄數(shù)據(jù)，對味覺細胞的配體門控通道和電壓門控通道的動力學特性和機理進行描述分析，從而對這個味覺細胞數(shù)學模型進行建立。仿真在酸味刺激過程中的時域放電模式。對酸敏感機理以及放電特性進行分析。
　　 隨著微電子微機械加工技術的發(fā)展，利用光電技術的優(yōu)點，采用光尋址電位傳感器(

4、LAPS, Light Addressable PotenTiO2etric Sensor)芯片作為味覺感受和放電響應研究的平臺。激光器在LAPS表面掃描尋址，即可對想要檢測點的表面電位進行記錄，大大提高了細胞傳感器的靈活性和可行性?？朔宋队X細胞培養(yǎng)密度低的缺點。可用于對味覺細胞在味質刺激下產生的電信號和化學信號檢測。
　　 本論文的主要內容和貢獻如下：
　　 1.通過實驗建立了味覺酸通道PKD2L1/1L3的動力學模

5、型，通過理論分析該通道OFF響應產生的機理，發(fā)現(xiàn)了味覺酸通道具有堿激活工作方式，并具有酸依賴抑制和鈣依賴抑制特性。此外，確定了在酸性條件下該通道活動處于抑制狀態(tài)；
　　 2.建立了PKD2通道的單通道模型，并用模型仿真發(fā)現(xiàn)了該通道在酸洗脫后具有OFF響應特性。通過膜片鉗實驗發(fā)現(xiàn)單轉PKD2L1時在酸刺激洗脫后會產生OFF響應。從模型理論和實驗中得到了論證。通過該模型的分析與實驗論證，進一步支持了PKD1L3/2L1通道的OFF響

6、應特性是堿激活機理產生的；
　　 3.首次建立了酸敏感味覺的全細胞電生理數(shù)學模型，仿真發(fā)現(xiàn)了在酸敏感中，味覺細胞有ON和OFF放電響應，且存在的三種可能性，通過微電極陣列芯片進行了實驗驗證。此外，通過該模型仿真分析得到了PKDL通道的鈣依賴抑制特性在酸敏感中起著負反饋作用的結果；
　　 4.設計了一種基于LAPS的味覺仿生單細胞傳感器，培養(yǎng)在芯片表面的味覺細胞存在功能性的Ⅱ型和Ⅲ型。且通過味覺細胞模型和細胞與芯片耦合模型

7、，仿真了味覺細胞在酸味刺激下的胞外信號。實驗結果表明：味覺信息是能在初級味覺敏感系統(tǒng)中編碼的，且ATP對Ⅲ型味覺細胞具有加強和抑制的雙重作用。并結合免疫組化熒光檢測方法對LAPS芯片表面培養(yǎng)的味覺細胞進行特異性標記，表明仿生味覺單細胞傳感器能夠對外界環(huán)境離子或是分子的改變進行檢測。
　　 5.提出了基于LAPS芯片的光尋址特性一種新的仿生味覺細胞網(wǎng)絡的傳感器，用于檢測神經遞質5-HT，并應用于味覺細胞間的信息通訊和信息傳遞的研究