味覺細(xì)胞模型及仿生味覺細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)傳感器的研究.pdf

1、味覺感受細(xì)胞是味覺敏感的基本單元，實(shí)現(xiàn)味覺中化學(xué)一電信號(hào)轉(zhuǎn)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(zhì)能刺激味覺感受細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)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(xì)胞和味覺神經(jīng)纖維的響應(yīng)有很多相似點(diǎn)，表明味覺感受細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位可能是味覺信息傳遞到味覺神經(jīng)纖維的主要組成部分。其電活動(dòng)對(duì)于味覺信息的前期處理起主導(dǎo)作用。對(duì)味覺感受細(xì)胞離子通道的研究能夠在分子水平上揭示味覺感受細(xì)胞興奮性的功能和機(jī)制。味覺感受

2、細(xì)胞膜上存在多種電壓門控離子通道。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明電壓門控離子通道作為味覺感受細(xì)胞興奮性的分子基礎(chǔ)，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(xì)胞對(duì)于生理味質(zhì)刺激的響應(yīng)可借助全細(xì)胞膜片鉗、細(xì)胞粘附式膜片鉗技術(shù)和基于膜片鉗的胞外記錄技術(shù)進(jìn)行記錄。然而由于受這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)的限制，目前對(duì)于味覺物質(zhì)刺激下單個(gè)味覺感受細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位及其離子機(jī)制、放電模式以及它所攜帶的味覺信息了解甚少。這些事實(shí)提示，對(duì)細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上的前期

3、味覺功能及其機(jī)理的研究需要結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)等多種手段，包括計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)和仿生細(xì)胞傳感器，多角度協(xié)同進(jìn)行研究。
　　 本文基于膜片鉗全細(xì)胞記錄以及單通道記錄數(shù)據(jù)，對(duì)味覺細(xì)胞的配體門控通道和電壓門控通道的動(dòng)力學(xué)特性和機(jī)理進(jìn)行描述分析，從而對(duì)這個(gè)味覺細(xì)胞數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立。仿真在酸味刺激過程中的時(shí)域放電模式。對(duì)酸敏感機(jī)理以及放電特性進(jìn)行分析。
　　 隨著微電子微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，利用光電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)研究的平臺(tái)。激光器在LAPS表面掃描尋址，即可對(duì)想要檢測(cè)點(diǎn)的表面電位進(jìn)行記錄，大大提高了細(xì)胞傳感器的靈活性和可行性?？朔宋队X細(xì)胞培養(yǎng)密度低的缺點(diǎn)?？捎糜趯?duì)味覺細(xì)胞在味質(zhì)刺激下產(chǎn)生的電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)檢測(cè)。
　　 本論文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)如下：
　　 1.通過實(shí)驗(yàn)建立了味覺酸通道PKD2L1/1L3的動(dòng)力學(xué)模

5、型，通過理論分析該通道OFF響應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)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(dòng)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(yīng)特性。通過膜片鉗實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單轉(zhuǎn)PKD2L1時(shí)在酸刺激洗脫后會(huì)產(chǎn)生OFF響應(yīng)。從模型理論和實(shí)驗(yàn)中得到了論證。通過該模型的分析與實(shí)驗(yàn)論證，進(jìn)一步支持了PKD1L3/2L1通道的OFF響

6、應(yīng)特性是堿激活機(jī)理產(chǎn)生的；
　　 3.首次建立了酸敏感味覺的全細(xì)胞電生理數(shù)學(xué)模型，仿真發(fā)現(xiàn)了在酸敏感中，味覺細(xì)胞有ON和OFF放電響應(yīng)，且存在的三種可能性，通過微電極陣列芯片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fù)反饋?zhàn)饔玫慕Y(jié)果；
　　 4.設(shè)計(jì)了一種基于LAPS的味覺仿生單細(xì)胞傳感器，培養(yǎng)在芯片表面的味覺細(xì)胞存在功能性的Ⅱ型和Ⅲ型。且通過味覺細(xì)胞模型和細(xì)胞與芯片耦合模型

7、，仿真了味覺細(xì)胞在酸味刺激下的胞外信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：味覺信息是能在初級(jí)味覺敏感系統(tǒng)中編碼的，且ATP對(duì)Ⅲ型味覺細(xì)胞具有加強(qiáng)和抑制的雙重作用。并結(jié)合免疫組化熒光檢測(cè)方法對(duì)LAPS芯片表面培養(yǎng)的味覺細(xì)胞進(jìn)行特異性標(biāo)記，表明仿生味覺單細(xì)胞傳感器能夠?qū)ν饨绛h(huán)境離子或是分子的改變進(jìn)行檢測(cè)。
　　 5.提出了基于LAPS芯片的光尋址特性一種新的仿生味覺細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的傳感器，用于檢測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)5-HT，并應(yīng)用于味覺細(xì)胞間的信息通訊和信息傳遞的研究