一种用于光疗法的体外高通量筛选装置及其应用

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种用于光疗法的体外高通量筛选装置及其应用，尤其涉及一种光源可调节、适配多种细胞培养板的用于光疗法的体外高通量筛选装置及其应用。

背景技术

传统的癌症治疗方法包括手术、化疗和放疗，具有一定的局限性：手术无法完全切除肿瘤组织，复发率高；化疗缺乏对癌细胞的选择性，对正常器官具有副作用；放疗容易损害癌细胞附近的健康细胞和组织。寻找具有增强疗效和减少不良反应的新治疗方式是必然的趋势，光疗法包括光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)，是一种新型治疗方式。

光动力疗法(PDT)利用光敏剂(PS)暴露在特定波长光照下产生的具有细胞毒性的活性氧类、例如单线态氧(

光热疗法(PTT)是在近红外照射条件下，利用光热转化材料造成肿瘤部位过热以消除肿瘤的方法。除了使用小分子试剂作为光疗法的光疗剂外，许多纳米材料，例如金纳米材料、银纳米粒子、碳纳米管、磁性纳米粒子、量子点、卟啉体、金属有机骨架(MOFs)、NIR染料包封的纳米粒子和半导体聚合物纳米粒子(SPNs)等，也已被广泛研究应用于PDT和PTT。

光生物学的发展引起了人们对光疗法的广泛关注，但是体外光生物学实验难以实现标准化和高通量操作，部分原因在于缺乏与多孔实验兼容的光照仪器。目前，光照实验中辐照源不具备独立可控照射微孔板中多个孔的能力，不能体外高通量培养细胞，只能进行单孔的逐一照射，费时费力。

因此，构建模块化、高通量、可配置的光辐照系统，在光疗法领域具有重要的意义，有利于提高光疗法的临床应用潜力。

发明内容

针对现有技术的不足和实际需求，本发明提供了一种用于光疗法的体外高通量筛选装置及其应用，

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种用于光疗法的体外高通量筛选装置，所述体外高通量筛选装置包括稳压器单元和外接板单元，所述稳压器单元和所述外接板单元通过电路连接线连接；

所述稳压器单元用于向外接板单元提供可调节电压，通过旋转稳压器上的旋钮调节外接板单元的光源的光照强度；

所述外接板单元在光源的上部设置有孔板卡槽，用于放置细胞培养板，所述外接板单元通过光源向所述细胞培养板提供光照。

本发明中，体外高通量筛选装置向细胞培养板中的细胞提供强度可调节的光辐射，结合光敏剂或者光热材料实现了细胞杀伤作用，所述体外高通量筛选装置还可以实现体外高通量药物筛选，显著提高了光动力疗法和光热疗法药物和药物制剂的筛选效率。

优选地，所述孔板卡槽和所述光源之间设置有滤光片、第一挡板和第二挡板，其中，滤光片用于过滤光源、向细胞培养板提供特定波长的光照，通过改变滤光片实现了体外高通量筛选装置对光源波长的调节作用，所述体外高通量筛选装置提供的光源波长为360～2500nm。

本发明中，利用滤光片调节光波长为光敏剂相匹配的光波长，可以引发光动力疗法和光热疗法，实现对肿瘤细胞的杀伤作用。

优选地，所述外接板单元的光源包括发光二极管(LED)平板光源和/或发光二极管矩阵光源，所述光源固定于光源承载台上。

优选地，所述发光二极管矩阵光源根据细胞培养板的规格由12个、24个、96个、192个或384个发光二极管灯珠组成。

本发明中，当光源为不同波长的LED平板光源时，在LED平板光源的上部设置滤光片，利用滤光片调节光波长为光敏剂相匹配的光波长；当光源为LED灯珠组成的矩阵光源时，可以直接选择与光敏剂相匹配的光波长的LED灯珠组成矩阵光源，还可以在LED矩阵光源的上部进一步设置滤光片，提供特定波长的光照。

优选地，所述外接板单元的光源通过电路连接线连接在所述外接板单元的电路板上，所述电路板向外延伸出电路板接头，用于与稳压器单元连接。

优选地，所述细胞培养板包括12孔细胞培养板、24孔细胞培养板、96孔细胞培养板、192孔细胞培养板或384孔细胞培养板中的任意一种或至少两种的组合，细胞培养板中的样本可以是细胞和/或组织。

优选地，所述第一挡板和/或第二挡板根据细胞培养板的规格包括12孔挡板、24孔挡板、96孔挡板、192孔挡板或384孔挡板中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述外接板单元还包括温度控制模块和/或二氧化碳浓度控制模块，位于所述外接板单元的底部。

优选地，所述外接板单元还包括避光板，位于所述外接板单元的顶部。

优选地，所述细胞培养板为底部透光的细胞培养板，通过孔板固定器固定于所述外接板单元的孔板卡槽上。

第二方面，本发明提供了第一方面所述的体外高通量筛选装置在筛选光敏剂和/或光热治疗制剂中的应用，例如：

向癌细胞给药待筛选光敏剂并孵育一段时间，将细胞培养板置于体外高通量筛选装置中进行固定功率、固定波长的光照，一定时间后取出，根据实验目的进行后续实验验证待筛选光敏剂的细胞杀伤效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的体外高通量筛选装置适配384/192/96/24/12孔细胞培养板，可用于特定类型的实验，能够为各孔提供均一、标准化的光辐照强度和精确的定时控制，光源波长可控制在360～2500nm范围内；

(2)本发明的体外高通量筛选装置可通过多层串并联电路同时进行多块细胞培养板实验，具有定制化、模块化、低成本、易组装维修的特点，是一种高通量、可重现且可配置的光辐照系统，适用于标准微孔板的光生物学高通量筛选实验；

(3)本发明在药物开发阶段，根据细胞系种类、细胞系对筛选药物的敏感性、筛选药物对细胞系的杀伤作用等关键数据高通量筛选适宜的光敏剂或光热材料，为药物后期的体内实验甚至临床试验起指导性作用。

附图说明

图1为体外高通量筛选装置的结构示意图；

图2为外接板单元的内部结构示意图，其中，1-孔板卡槽，2-滤光片，3-第一挡板，4-第二挡板，5-光源承载台，6-发光二极管，7-电路连接线，8-电路板，9-电路板接头，10-温度控制模块和二氧化碳浓度控制模块，11-孔板固定器，12-避光板；

图3为体外高通量筛选装置的光强度和电流输出具有良好的线性；

图4为体外高通量筛选装置的光毒性检测结果；

图5为采用体外高通量筛选装置筛选光敏剂的IC

图6为采用体外高通量筛选装置进行光疗法后细胞荧光染色图片，其中，(A)为未光照给药组，(B)为光照给药组，比例尺为50μm。

具体实施方式

为进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合实施例和附图对本发明作进一步地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购获得的常规产品。

实施例1

本实施例构建一种用于光疗法的体外高通量筛选装置，如图1和图2所示，所述体外高通量筛选装置包括稳压器单元和外接板单元，所述稳压器单元和所述外接板单元通过电路连接线连接；

所述稳压器单元用于向外接板单元提供可调节电压，通过旋转稳压器上的旋钮调节外接板单元的光源的光照强度；

所述外接板单元在光源的上部设置有孔板卡槽1，用于放置细胞培养板，所述外接板单元通过光源向细胞培养板提供光照，细胞培养板进一步通过孔板固定器11固定于外接板单元的上部；

所述孔板卡槽1和所述光源之间设置有滤光片2、第一挡板3和第二挡板4，其中，滤光片2用于过滤光源、向细胞培养板提供特定波长的光照，第一挡板3和第二挡板4与细胞培养板的规格适配，包括12孔挡板、24孔挡板、96孔挡板、192孔挡板或384孔挡板，提高光源对每孔光照的均一性，避免相邻光源对孔内光照的影响；

所述外接板单元的光源为发光二极管6，通过光源承载台5固定于外接板单元上；

所述外接板单元的光源通过电路连接线7连接在所述外接板单元的电路板8上，所述电路板8向外延伸出电路板接头9，用于与稳压器单元连接；

所述外接板单元还包括温度控制模块和二氧化碳浓度控制模块10，位于所述外接板单元的底部；

所述外接板单元还包括避光板12，位于所述外接板单元的顶部。

所述体外高通量筛选装置提供的光功率强度在细胞培养板的各孔中均一性好，可以实现标准化照射，通过向细胞培养板中的肿瘤细胞提供光照处理，配合在细胞培养液中添加光敏剂，实现对肿瘤细胞的杀伤作用，并可以通过考察光敏剂对细胞活力的影响，高通量快速筛选适宜的PDT/PTT药物。

实施例2

本实施例在体外高通量筛选装置中放置细胞培养板，检测细胞培养板各孔光功率强度的均一性，步骤如下：

将96孔细胞培养板置于体外高通量筛选装置(仪器型号PTHS-690-96)的孔板卡槽中，打开稳压器开关，旋转稳压器旋钮调节电压至20、50、100、150、200、250、300mV，光源波长为690nm，将光探测器覆盖于96孔细胞培养板的随机9个孔中，计测各孔在不同电压下的光照对应的功率强度。

如表1所示，在固定电压的情况下，不同孔之间的光功率具有良好的均一性，偏差比例为3.27％～4.09％；以各孔的光功率均值作线性拟合，得到的结果如图3所示，R

表1各孔光功率强度与电压的对应关系测试数据

实施例3

本实施例采用体外高通量筛选装置进行光照并检测光毒性，步骤如下：

取对数生长期的人乳腺癌细胞系MDA-MB-231培养于含10％胎牛血清的1640培养基中，调整细胞密度为5×10

弃去培养液，每孔以PBS清洗后加入100μL培养基，将96孔细胞培养板置于体外高通量筛选装置的孔板卡槽中，选择波长为690nm的LED光源以及适配的96孔挡板，在96孔细胞培养板上加盖避光板，进行50、100、200、300mV的光照10min，以不光照作为空白对照组，每组设置3个复孔；

光照步骤后每孔加入10μL CCK-8试剂，同时设置空白组(即无细胞仅加入CCK-8工作液)，37℃避光孵育4h，用酶标仪测定450nm处的OD值，根据以下公式计算细胞活力；

细胞活力＝(OD

结果如图4所示，各电压光照后的细胞活力(Cell Viability)与不光照的空白组细胞无显著差异，说明采用本发明的体外高通量筛选装置在不添加PDT/PTT药物的条件下进行光照，不会造成细胞毒性。

实施例4

本实施例采用体外高通量筛选装置检测光敏剂的IC

取对数生长期的人乳腺癌细胞系MDA-MB-231培养于含10％胎牛血清的1640培养基中，调整细胞密度为5×10

将光敏剂溶解于培养基中，加入到接种有MDA-MB-231细胞的96孔细胞培养板中，分别使光敏剂的终浓度为5、10、25、50、125nM，以不加药作为空白对照组；

在培养箱中避光孵育24h后，弃去培养液，每孔以PBS清洗后加入100μL培养基，将96孔细胞培养板置于体外高通量筛选装置的孔板卡槽中，选择波长为690nm的光源以及适配的96孔挡板，在96孔细胞培养板上加盖避光板，进行20mW/cm

光照步骤后每孔加入10μL CCK-8试剂，同时设置空白组(即无细胞仅加入CCK-8工作液)，37℃避光孵育4h，用酶标仪测定450nm处的OD值，根据以下公式计算细胞活力；

细胞活力＝(OD

结果如图5所示，未光照给药组的细胞活力与不加药的空白组细胞无显著差异，说明光敏剂本身不会造成细胞毒性；光照给药组的细胞活力与光敏剂浓度成反比，IC

实施例5

本实施例采用体外高通量筛选装置进行细胞筛选并对筛选的细胞进行荧光显微镜实验，步骤如下：

取对数生长期的人乳腺癌细胞系MDA-MB-231培养于含10％胎牛血清的1640培养基中，调整细胞密度为5×10

将光敏剂溶解于培养基中，加入到接种有MDA-MB-231细胞的96孔细胞培养板中，使光敏剂的终浓度为50nM，以不加药作为空白对照组；

在培养箱中避光孵育24h后，弃去培养液，每孔以PBS清洗后加入100μL培养基，将96孔细胞培养板置于体外高通量筛选装置的孔板卡槽中，选择波长为690nm的LED光源以及适配的96孔挡板，在96孔细胞培养板上加盖避光板，进行20mW/cm

光照步骤后每孔加入5μL Hoechst染液，37℃避光孵育10min，弃废液PBS清洗两遍；加入15μg/mL碘化丙啶(Propidium Iodide，PI)染液，避光孵育10min，弃废液PBS清洗两遍；置于倒置荧光显微镜下观察。

结果如图6所示，未光照给药组显示PI染色阴性，说明光敏剂本身不会造成细胞毒性；光照给药组显示PI染色阳性，说明光照后光敏剂会造成细胞大量死亡。

综上所述，本发明的体外高通量筛选装置适配不同规格的细胞培养板，可通过多层串并联电路实现同时多块细胞培养板/培养瓶实验，达到高通量筛选的目的，相较于传统的光疗法，使用本发明的体外高通量筛选装置对各孔同时进行固定波长及强度的光照，可以实现体外高通量筛选，显著提高了光动力疗法和光热疗法药物和药物制剂的筛选效率。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。