СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕТОК БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к области вирусологии и медицины. Предлагаемое устройство может применяться для лабораторного анализа физиологического состояния клеток, например эритроцитов и лейкоцитов с целью ранней диагностики отклонений от нормального состояния (выявления зараженных вирусом или раковых) клеток в крови человека и животных, для определения стадии заболевания печени (гепатит, цирроз) и его этиологии (вирусная, алкогольная), а также для детекции и определения концентрации вирусов в суспензиях, например, в крови человека и животных, во взвесях растительных и животных клеток, бактерий.
Способность клетки к деформации играет важную роль в процессе ее жизнедеятельности. Например, эритроциты должны обладать высокой эластичностью для того, чтобы проникать в капилляры. Плотный контакт между стенками капилляра и мембраной эритроцита облегчает газообмен кислорода и углекислого газа, что способствует полноценному обеспечению организма кислородом.
Изменение деформируемости эритроцитов наблюдается при некоторых заболеваниях, например, диабете или атеросклерозе, заболеваниях печени различной этиологии, что указывает на актуальность изучения и измерения вязкоупругих характеристик биологических частиц.
Известно устройство для измерения вязкоупругих характеристик эритроцитов в электрическом поле, включающее проточную ячейку с последовательно установленными электродами, высокочастотный генератор переменного электрического поля, подключенный к этим электродам, микроскоп и персональный компьютер для учета и обработки данных [Н.Engelhardt, E.Sackmann. On the measurement of shear elastic moduli and viscosities of erythrocyte plasma membranes by transient deformation in high frequency electric fields. Biophys. J. - 1988, v.54: 495-508]. Процесс измерения включает заполнение суспензией клеток рабочего объема измерительной камеры
с последовательно установленными в ней электродами, наложение неоднородного переменного электрического поля на суспензию, компьютерное распознавание максимального размера эритроцита, притянувшегося к электроду, расчет силы растягивающей клетку по модели проводящего эллипсоида.
Недостатком описанного устройства является низкая точность измерения жесткости и вязкости клетки, обусловленная погрешностью при расчете растягивающей силы по модели проводящего эллипсоида и погрешностью связанной с тем, что клетка имеет непосредственный контакт с поверхностью электрода. Это изменяет физиологическое состояние мембраны клетки. Кроме того, устройство имеет малую производительность процесса измерения вязко-упругих характеристик клеток, а также не позволяет работать с патогенными микроорганизмами.
4
6
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система для измерения вязкоупругих и электрических характеристик клеток биообъектов, включающий прозрачную измерительную кювету, в которой расположены электроды, соединенные с источником электропитания, а также измерительный блок (патент РФ №2296327, МПК G01N 33/49, опубл. 27.03.07). Источник электропитания представляет собой генератор переменного электрического напряжения, а измерительный блок содержит микроскоп, оптически связанный с измерительной кюветой и систему анализа изображения для измерения скорости движения эритроцитов, содержащую видеокамеру, оптически связанную с микроскопом, и компьютер, соединенный с видеокамерой. Причем, электроды в измерительной кювете установлены с зазором, достаточным для формирования в нем средней напряженности электрического поля в пределах от 10 до 10 Вольт/м.
Однако такая система имеет недостаточную производительность при большом объеме исследуемых проб, а также не позволяет работать с пробами, содержащими патогенные микроорганизмы.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение производительности процесса измерения и обеспечение возможности работы с пробами, содержащими патогенные микроорганизмы.
4
6
Указанный технический результат достигается тем, что в системе для измерения вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов, включающей прозрачную измерительную ячейку, в которой расположены электроды, установленные с зазором, достаточным для формирования в ней средней напряженности электрического поля в пределах от 10 до 10 Вольт/м и соединенные с источником электропитания, представляющем собой генератор переменного электрического напряжения, и измерительным блоком, содержащем микроскоп, оптически связанный с измерительной ячейкой и устройство анализа изображения для измерения физических параметров клеток биологических объектов, содержащее видеокамеру, оптически связанную с микроскопом, и компьютер, соединенный с видеокамерой, согласно полезной модели, она снабжена устройством для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа, состоящее из основания, на котором последовательно размещены толкатель измерительных ячеек с прижимным валиком, накопитель с комплектом измерительных ячеек, уложенных один на другой, площадка, расположенная в поля зрения объектива микроскопа с измерительной ячейкой, накрытой покровным стеклом и заполненной исследуемой клеточной суспензией, накопитель с комплектом покровных стекол, уложенных один на другой и толкатель покровных стекол с прижимным валиком. Кроме того, система дополнительно снабжена изолирующим боксом, в котором размещены микроскоп и устройство для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа.
Устройство для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа позволяет значительно ускорить процесс подготовки и измерение вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов за счет обеспечения работы системы в полуавтоматическом режиме. Причем, указанное устройство для подачи и удаления измерительных ячеек и изолирующий бокс обеспечивают возможность работы с клетками, содержащими патогенные микроорганизмы или вирусы (туберкулезная палочка, гепатиты А, В, С, ВИЧ-инфекция, клещевой энцефалит и т.п.) путем ограждения исследователя
от возможного контакта с инфицированной пробой.
На фиг.1 приведена схема системы для измерения вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов. На фиг.2 изображена схема измерительной ячейки. На фиг.3 приведено Устройство для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа.
4
6
Система для измерения вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов включает прозрачную измерительную ячейку 1, в которой расположены электроды 2 и 3, установленные с зазором, достаточным для формирования в ней средней напряженности электрического поля в пределах от 10 до 10 Вольт/м. Ячейка накрыта покровным стеклом 4. Электроды 2 и 3 соединены с источником электропитания, представляющем собой генератор 5 переменного электрического напряжения с осциллографом 6, и измерительным блоком, содержащем микроскоп 7, оптически связанный с измерительной ячейкой 1 и устройство анализа изображения для измерения физических параметров клеток биологических объектов, содержащее видеокамеру 8 с монитором 9, оптически связанную с микроскопом 7, и компьютер 10, соединенный с видеокамерой 8. Система дополнительно снабжена устройством 11 для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа, состоящее из основания 12, на котором последовательно размещены толкатель 13 измерительных ячеек с прижимным валиком 14, накопитель 15 с комплектом измерительных ячеек, уложенных один на другой, площадка 16, расположенная в поле зрения объектива микроскопа с измерительной ячейкой, накрытой покровным стеклом 4 и заполненной исследуемой клеточной суспензией, накопитель 17 с комплектом покровных стекол, уложенных один на другой и толкатель 18 покровных стекол с прижимным валиком 19. Под устройством 11 на конце его основания 12 размещена емкость 20 с дезинфицирующим раствором. Кроме того, система дополнительно снабжена изолирующим боксом 21, в котором размещены микроскоп 7 и устройство 11 для подачи и удаления измерительных ячеек из поля зрения объектива микроскопа.
Система для измерения вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов работает следующим образом.
4
6
Толкателем 1 сдвигают измерительную ячейку 1 из накопителя 15 на площадку 16 в поле зрения объектива микроскопа 7. При этом предыдущая измерительная ячейка 1 с клеточной суспензией, прошедшая цикл видеосъемки, сдвигается в канал и постепенно смещается вдоль основания 12 и после нескольких циклов измерения сбрасывается в сосуд 20 с дезинфицирующим раствором. На измерительную ячейку 1, находящуюся под объективом микроскопа 7, наносят из пипетки исследуемую клеточную суспензию. Толкателем 18 сдвигают покровное стекло 4 из накопителя 17 в поле зрения объектива микроскопа 7, которое падает на измерительную ячейку 1 и прижимает каплю с исследуемой клеточной суспензией. Далее подают напряжение (не более 10 Вольт) от генератора 5 переменного напряжения на электроды 2 и 3, между которыми формируют среднюю напряженность электрического поля в пределах от 10 до 10 Вольт/м. С помощью видеокамеры 8 записывают видеофайл о движении отдельных клеток и изменение их формы (деформацию) в измерительной кювете 1. С видеокамеры 8 видеосигнал подают на компьютер 10 (со специализированной программой обработки изображений), где обрабатываются данные и вычисляются характеристики клеток биологических объектов, в том числе их вязко-упругие и электрические характеристики, используемые, например, для дифференциальной диагностики диффузных заболеваний печени или концентрацию вирусов в суспензии клеток).
Преимущество предлагаемой системы по сравнению с существующими аналогами, в том числе и с прототипом в том, что она позволяет значительно ускорить процесс подготовки и измерение вязкоупругих и электрических характеристик клеток биологических объектов за счет обеспечения работы системы в полуавтоматическом режиме. Причем, указанное устройство для подачи и удаления измерительных ячеек и изолирующий бокс обеспечивают возможность работы с клетками, содержащими патогенные микроорганизмы или вирусы (туберкулезная палочка, гепатиты А, В, С, ВИЧ-инфекция, клещевой энцефалит и т.п.) путем ограждения исследователя от возможного контакта с инфицированной пробой.