用于光遗传学细胞高通量研究的无线程控光照系统及应用的制作方法

本发明属于集成电子电路与光遗传学领域，特别涉及一种用于光遗传学细胞高通量研究的无线程控光照系统及应用。

背景技术：

光遗传学技术是近几年迅速发展的一项整合了光学、基因工程以及电子工程的全新多学科交叉的生物技术。利用光基因技术控制细胞活动，具有无损伤、非侵入、时空分辨率高、可定量重复、使用简单等优势，在神经科学、细胞生物学、信号通路等研究领域得到越来越广泛的应用。

截至目前，凭借光纤耦合二极管定点局部刺激神经元(如专利CN201510654472.3)或者利用微型LED阵列多点光刺激(如Kwon K,Li W.Integrated multi-LED array with three-dimensional polymer waveguide for optogenetics[C]//Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),2013IEEE 26th International Conference on.IEEE,2013:1017-1020.)，光遗传学已在神经科学领域取得非常大的成就。

但在更加新兴的信号通路研究领域，光刺激系统还非常简陋(如Bugaj L J,Choksi A T,Mesuda C K,et al.Optogenetic protein clustering and signaling activation in mammalian cells[J].Nature methods,2013,10(3):249-252.)：①灯珠数量少，不能进行高通量的信号通路分子筛选；②只能以单一亮度照射刺激细胞，不能从软件上精细调节亮度以探究光照强度与信号通路激活程度的关系；③通过物理连接与电脑通信，不便于在培养箱环境下对细胞长时间照射培养研究。④同一时间只能用一种光进行刺激。然而信号通路研究，尤其是与信号通路相关的药物分子筛选需要高通量、多强度、长时间和/或多因素的刺激条件。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术中的缺点，本发明提供了一种用于光遗传学高通量研究的无线程控光照系统，该系统能够提高光遗传学技术实验效率，降低实验成本，该系统可以应用于体外培养的细胞中开展光遗传学高通量控制。

一种用于光遗传学高通量研究的无线程控光照系统，包括：上位机PC、蓝牙无线通讯模块、下位机以及稳压直流电源，所述的下位机包括：位于集成印刷电路板一面的中央处理单元、寄存器芯片组、通信接口以及电源接口；位于集成印刷电路板另一面的发光二极管组；且发光二极管分布与生物细胞实验所用孔板各孔位置相对应；

所述的上位机PC内的控制软件将控制指令通过蓝牙无线通讯模块输送至中央处理单元；

所述的中央处理单元接收蓝牙无线通讯从机发送的控制指令，并将控制指令与时钟信号输入寄存器芯片组；

所述的寄存器芯片组将控制指令的串行输入转换为并行输出，并控制发光二极管的发光模式，单独控制每个发光二级管的发光；

所述的发光二极管组在光遗传学研究中对细胞实施光刺激；

所述的稳压直流电源用于给下位机中的元器件提供工作稳压直流电源。

所述上位机PC内的控制软件用于设定发光二极管(LED)亮灯时长、闪烁方式、灯光亮度以及光色。

所述的蓝牙无线通讯模块包括：蓝牙无线通讯主机和蓝牙无线通讯从机，蓝牙无线通讯主机通过USB接口与上位机相连，蓝牙无线通讯从机与蓝牙无线通讯主机以蓝牙协议配对；所述蓝牙无线通讯主机用于发射控制指令，所述蓝牙无线通讯从机用于接收控制指令。

优选地，所述的中央处理单元、寄存器芯片组以及发光二极管组焊接在一块集成电路板上。

优选地，所述的寄存器芯片组包括处理器寄存器芯片组和发光二极管寄存器芯片组，处理器寄存器芯片组与发光二极管寄存器芯片组相连，将控制信号转化为控制发光二极管具体通断的电平信号。

优选地，所述的发光二极管组包含96个发光二极管，成8×12矩形排列，各发光二极管间中心距离为9mm，与生物细胞实验所用标准96孔细胞培养板各孔位置相对应。

优选地，所述的发光二极管工作频率为40～110Hz，以PWM方式调节工作亮度。由于体外培养的生物细胞为频率不敏感的体细胞而非对光频率敏感的神经元细胞，因此当光照频率大于40Hz后，光照频率对细胞影响忽略不计。进一步优选光照频率为50Hz，提高控制精度。

优选地，所述的发光二极管出射光波长包含470nm蓝光，520nm绿光，620nm红光，进一步优选，发光二极管出射光波长为470nm。

光遗传学研究依赖光控元件(光敏蛋白)转入目标细胞，不同光控元件的激活需要不同波长的色光刺激。优选波长为470nm的蓝色光，可有效刺激隐花色素类光激活元件CRY2/CIBN趋合：隐花色素类光敏蛋白CRY2吸收470nm蓝色光后，构象发生改变，从而与配体蛋白CIBN结合；而当失去蓝光照射后，隐花色素类光敏蛋白CRY2在一段时间内与配体蛋白CIBN分离，实现了光遗传光控元件的光控可逆性。因此波长为470nm的蓝色光刺激被优选地应用于细胞信号通路研究中。

所述集成印刷电路板的物理尺寸与标准96孔细胞培养板相配合。

所述的下位机通过数据排线与所述蓝牙无线通讯从机相连。

所述的直流供电电源通过电源接口与所述下位机连接。

无线程控光照系统的工作过程：上位机内的控制软件发出控制指令至蓝牙无线通讯主机，蓝牙无线通讯主机将控制指令以无线蓝牙的方式传输给蓝牙无线通讯从机，蓝牙无线通讯从机将控制指令通过通信接口输送至所述中央处理单元，中央处理单元将控制指令与时钟信号输入寄存器芯片组，寄存器芯片组控制发光二极管的发光模式，并控制其对光遗传学研究中的细胞实施光刺激，完成整个光照。

本发明的无线程控光照系统用于体外培养的细胞中开展光遗传学高通量控制，实现了细胞体外即培养箱条件下的无线多线程光学调控，且设定优选地用于CIBN/CRY2系统激活的刺激条件。

本发明中，利用单片机与集成电路技术开发光遗传学研究领域细胞实验的光刺激系统，提高了系统的精确度和可靠性，与现有应用于信号通路研究的光遗传学技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)仪器利用率高，光照系统具有的96个发光二极管与96孔细胞培养板配合，各个发光二极管灯珠均可通过寄存器芯片单独控制，因此单次实验可进行多次互不干扰的定量分析；

(2)光刺激调控精确，发光二极管的光强可由软件调节线性变化，发光二极管的闪烁频率稳定，不存在误差；

(3)该系统既可以在正常培养环境中对细胞进行照射刺激，也可以通过无线控制实现在培养箱环境中对细胞长时间的照射培养；

(4)多种单色光刺激，可导入多种光控蛋白，实现对信号通路协同作用的研究；

(5)装置结构简洁，使用方便，利于根据实验条件进行快速调整。

附图说明

图1是本发明整体工作流程框架图；

图2是本发明实施例中下位机正面(发光二极管面)结构图；

图3是本发明实施例中下位机反面(元器件面)结构图；

图4是本发明实施例中对96孔板的光照工作示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明用于光遗传学高通量研究的无线程控光照系统，包括：上位机1、蓝牙无线通信模块2、下位机中央处理器3、下位机寄存器芯片组4与下位机LED组5。

上位机1是运行在PC上的交互控制程序，是用户控制调整各LED光刺激模式的操作界面，对光刺激的亮度(PWM占空比)、亮灯时长、闪烁方式以及光色四个参数进行调节。蓝牙无线通信模块2包含蓝牙无线通信主机和蓝牙无线通信从机，主机通过串口转USB接口实现和上位机1的通信，从机则与下位机数据接口7相连，当主机与从机匹配之后，主机将上位机1的控制指令数据包以蓝牙信号发送至从机，进由下位机数据接口7送达下位机中央处理器3。下位机中央处理器3将控制指令和时钟信号传输给下位机寄存器芯片组4。下位机寄存器芯片组4通过控制下位机LED组5的阴极电平高低实现下位机LED组5的通断控制，进而控制下位机LED组5的亮度、亮灯时长、闪烁方式与光色。

如图2和图3所示，本发明用于光遗传学高通量研究的无线程控光照系统中的下位机包括：下位机LED组5、下位机集成印刷电路板6、下位机中央处理器3、下位机处理器寄存器芯片组41、下位机LED寄存器芯片组42、下位机数据接口7、下位机电源接口8。其中，下位机数据接口7与下位机中央处理器3相连，将上位机控制信号传入下位机中央处理器3；下位机中央处理器3与下位机处理器寄存器芯片组41相连，用于扩展下位机中央处理器3的I/O通信口，传递控制信号；下位机处理器寄存器芯片组41与下位机LED寄存器芯片组42相连，将控制信号转化为控制LED具体通断的电平信号；下位机LED组5包含96盏LED，呈8×12排列，各相邻LED距离为9mm以匹配96孔板各相邻孔之间距离；外部直流电源通过下位机电源接口8为上述所有下位机元器件提供电源，并具有较好的滤波稳压作用。

上位机1的程序采用C#编写；蓝牙无线通信模块采用HC-06与USB-TTL模块；下位机数据接口7采用排针插口；下位机中央处理器3采用STC15W408AS；下位机处理器寄存器芯片组41采用74HC595；下位机LED寄存器芯片组42采用PIC10F200为核心电路；下位机LED组5采用共阳三色LED；下位机电源接口8采用DC005电源插座与滤波稳压电路；电源采用AC220V～DC5V 10A稳压适配器。LED的工作频率固定50Hz；以PWM方式调节亮度，亮度等级100；红光工作波长为630～640nm；绿光工作波长为515-525nm；蓝光工作波长为465-475nm；细胞槽底部三种光最大光通量均为90lx。

本发明用于光遗传学高通量研究的无线程控光照系统的光照工作结构如图4所示，其中，特制96孔板12不同于市面常见的透明96孔板，而是黑色不透明96孔板，以避免一个细胞培养槽11的LED组5对另一个培养槽造成影响。96孔板板盖10也是特制的，与市面常见板盖相同的是盖面透明，紧合96孔板，但每个细胞培养槽正上方多了黑色不透明卡槽9，以支撑光控系统下位机集成印刷电路板6并且将各LED光源5隔离。特别的，为避免透明盖10中的漫反射，黑色不透明卡槽9基部延伸到板盖10底部。

工作流程为：将细胞培养液注入96孔板细胞槽11；将板盖10盖放于96孔板12上；将光控系统下位机LED面向下，各LED与板盖卡槽9对齐扣在板盖10上；将96孔板12与光控系统下位机一起放入细胞培养箱；光控系统上位机PC1设定光照参数并发送；光控系统下位机开始光照刺激，；预定时间到后，上位机PC客户端1发出预警提示，下位机停止光照。

相比于传统光照研究中使用多个培养皿且分次加注试剂的方法，本发明配合了细胞实验中常用的96孔培养板，可使用较少的试剂由排枪一次性加注，因此采用本发明的无线程控光照系统可大大提高光遗传学技术实验效率，同时有效降低实验成本，达到了高通量光学筛选的目的。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。