用于高通量细胞测量的高灵敏度膜片钳阵列关键技术研究

Patch-clamp platform with high-throughput screening ability has the potential to significantly fasten the development process of new drugs. However, the signal of the current platform was not sensitive enough. In order to improve throughput, probe (i.e., the headstage) with low gain was adopted in patch-clamp array (PCA), resulting that the sensitivity of signal was significantly smaller than that of conventional patch-clamp amplifier. The conventional patch-clamp amplifier is high-coupling and low-cohesion, which lead to the fact that its system is too complicated to fulfill high throughput demand. In this research, concept of PCA with high sensitivity based on hybrid control will be proposed. Probes with high gain (GΩ) will be used to achieve the high sensitivity of cell current; while digital inverse filter technique will be applied to achieve high-frequency compensation and improve system bandwidth. Additionally, the strategy of reducing the coupling degree between PCA modules will be used and system identification techniques will be applied to determine fast / slow capacitance and series resistance, which will fully or partially digitalize the traditional compensation circuits. Furthermore, the minimum system of the high sensitive PCA will be raised, and hybrid control algorithms for two-channel PCA will be developed, which will build a strong theoretical foundation for promoting signal quality and sensitivity of high-throughput screening techniques.

高通量膜片钳扫描能够显著地提高新药开发的速度、成功率，并降低风险。然而，现有的高通量扫描平台的信号质量仍有待提高。为了提高通量，膜片钳阵列采用了低增益的探头，使得它的灵敏度远低于传统膜片钳放大器；而传统膜片钳放大器具有高耦合，低内聚的特点，其系统复杂，难以实现高通量。为解决这个问题，本项目提出基于混合控制的高灵敏度膜片钳阵列的概念，采用高增益（吉欧）的探头，并利用数字逆滤波的方法实现高频补偿，提高系统带宽，实现高灵敏度的细胞电流记录；另外，本项目采用降低膜片钳阵列模块间耦合度的思路，利用系统辨识技术对快/慢电容及串联电阻进行建模，使传统的三大补偿电路全部或部分的实现数字化。在此基础之上，本项目提出高灵敏度膜片钳阵列的最小模拟系统，完成两通路的高灵敏度膜片钳阵列混合控制算法的开发，为实现高灵敏度的高通量膜片钳扫描打下理论基础。

为降低膜片钳阵列模块间耦合度、实现高灵敏度的高通量膜片钳扫描，本项目利用高增益（吉欧）传统膜片钳放大器探头，深入研究了膜片钳模拟电路最小系统、关键参数的系统辨识方法、模拟-数字混合反馈控制方法以及双通路膜片钳阵列实验过程中的管理等关键问题。本项目逐一分析传统膜片钳放大器中的四大补偿（快电容补偿、慢电容补偿、串联电阻补偿、探头高频补偿）的数字化可能性，发现利用系统辨识结合系统校准的方法可以得到快电容、慢电容、串联电阻的准确估计，以及探头反馈电阻的复阻抗模型。基于上述理论成果，本项目利用FPGA设计了模拟-数字混合反馈控制的实现方法，为达到与传统膜片钳放大器性能相当的混合控制系统，模数转换和数模转换的精度需要达到16位，数字信号处理过程需要采用双精度浮点运算。由于膜片钳系统对噪声非常敏感，混合控制的一个关键问题在于数字和模拟部分的隔离，本项目采用了孤岛与地平面相结合的方法构建高频信号的低阻抗回路。随着通道数的增加，实验的复杂程度也增加，本项目还对双通道膜片钳阵列实验过程的上位机管理软件相关问题进行了研究。本项目所提的方法具有一定的通用性，即当更换探头电路时，系统可以利用辨识算法对新的探头复阻抗模型进行辨识和校准；当探头与细胞的阻抗模型发生变化时，基于数字信号处理的系统能够更方便地匹配这种变化。