一种动物循环系统中外泌体的监测装置及监测方法

1.本发明涉及外泌体监测技术领域，尤其涉及一种动物循环系统中外泌体的监测装置及监测方法。


背景技术：

2.化学药物治疗作为恶性肿瘤目前最常用的临床治疗手段之一，已有近80年的历史，但由于其毒副作用大、药物利用率低以及长期治疗产生的耐药性等缺陷，往往会对患者造成极大的痛苦，甚至缩短患者的生存时间。因此，肿瘤靶向疗法应运而生，纳米药物递送系统也逐渐发展起来。但是，外源性材料存在潜在的免疫原性和生物相容性问题。
3.外泌体是一种细胞外囊泡，粒径主要分布在30-150nm之间，携带着重要的生命分子和信息。在最初的报道中，外泌体等胞外囊泡被误认为是细胞排出的“垃圾”。但随着研究的进一步深入，人们发现外泌体可以在细胞间进行蛋白质、核酸和脂质等分子的转运，是一种突出且普遍的细胞信号传递形式。此外，外泌体还参与了抗原呈递、免疫调节和神经信号传递等一些基本的生理过程，在炎症反应、癌症发生、心脑血管疾病、细菌感染和病毒传播等许多病理过程中更离不开外泌体的密切参与。外泌体具有良好的生物相容性、循环稳定性、生物屏障通透性、低免疫原性和低毒性，其纳米尺寸保证了其可以逃避单核吞噬细胞系统的快速清除，可以代替纳米材料进行药物递送。因此，基于其独特的性质和功能，在疾病诊疗中，外泌体常被用作疾病诊断标志物和药物递送工具。其中，基于外泌体的肿瘤靶向纳米药物递送系统在近十年来的研究发展尤为迅猛。
4.为了更好的研究外泌体载药的性能，需要对外泌体在血液循环中的代谢动力学进行检测。目前的外泌体检测手段包括免疫印迹技术、质谱分析方法、聚合酶链式反应、透射电镜法、纳米颗粒追踪分析技术、可调电阻脉冲传感技术、超高灵敏流式检测技术等，但是以上技术都需要离体采血进行，不能反应外泌体在血液循环中的实时变化，因此活体检测手段将有助于对外泌体载药进行更加深入的研究。而现有可以实现活体检测外泌体的方法包括小动物荧光成像、伽马相机成像、单光子发射计算机断层成像等技术，但这些检测方法只能观察到外泌体在生物体内的分布情况，无法监测血液循环中的整体变化情况。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种动物循环系统中外泌体的监测装置及监测方法，可以对舞动血液循环中的外泌体变化情况进行实时动态的监测。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种动物循环系统中外泌体的监测装置，包括动物放置平台，其特征在于：还包括血管定位组件、用于激发动物外泌体产生荧光的光源组件、用于接收外泌体产生的荧光的荧光接收组件和折光系统，所述折光系统位于所述动物放置平台的上方，所述光源组件位于所述折光系统的上方，所述血管定位组件和荧光接收组件位于所述动物放置平台的一侧；所述光源组件发出的光线经过所述折光系统后照射至动物放置平台，动物放置平台上
的动物循环系统中外泌体产生的荧光经过折光系统后进入血管定位组件和荧光接收组件中。
8.进一步的，所述血管定位组件包括照明灯和成像设备，所述成像设备的高度与所述折光系统的高度相匹配。
9.进一步的，所述光源组件包括激光光源和高斯光束转换矩阵，所述高斯光束转换矩阵位于所述激光光源的下方。
10.进一步的，所述荧光接收组件包括荧光接收器和用于对荧光信号基线高度进行识别的荧光信号分析设备，所述荧光接收器的高度与所述折光系统的高度相匹配，所述荧光接收器与所述荧光信号分析设备通讯连接。
11.进一步的，所述荧光信号分析设备对荧光信号基线高度进行识别的具体操作包括以下步骤，
12.s1：对荧光接收器传输至荧光信号分析设备的图像进行预处理；
13.s2：对预处理后的图像的信号区域进行分割；
14.s3：找到信号基线的最高点和最低点，并对信号进行拟合；
15.s4：计算信号基线高度；将拟合的信号基线上端曲线作为最高点，下端曲线作为最低点，定义最高点减去最低点再除以2为基线最终高度值，用定义的公式计算出信号基线高度；
16.进一步的，步骤s1中图像预处理操作包括图像平滑、去噪、对比度增强和背景减除。
17.进一步的，步骤s2中使用阈值处理、区域增长、边缘检测或基于机器学习的分割算法将信号区域与图像中其他结构分开。
18.进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤：利用图像分割算法确定信号基线区域，找到信号基线图像的最上端和最下端，分别作为信号基线的最高点和最低点，然后利用多项式回归、花键插值和最小二乘法对信号进行拟合。
19.进一步的，所述折光系统为聚光镜、变色镜、回光镜中的一种或多种，用于控制光路走向。
20.进一步的，一种动物循环系统中外泌体的监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤，
21.s1：将待测动物放置在动物放置平台上；
22.s2：开启光源组件，光源组件发出的激光经过折光系统后照射在待测动物体上；
23.s3：开启血管定位组件，对待测动物进行二维成像；
24.s4：根据血管定位组件生成的图像对待测动物的位置进行移动，选择目标血管并调整焦平面至图像清晰；
25.s5：观察光源组件发出的激光经过转换公式φ
x
＝4λm2/πd
x
+kd3/f2，φy＝dy形成的转换高斯光束是否横跨目标血管，若是，继续步骤s6，若不是，调整待测动物的位置，重复步骤s3～s4，直至转换高斯光束横跨整个目标血管；
26.转换公式中，λ为入射光束的波长；m2为激光束质量因子；d为入射光束的直径；k为波数；f为透镜焦距，φ
x
为出射光在x方向的衍射极限光斑大小，d
x
为入射光在x方向的衍射极限光斑大小，φy为出射光在y方向的衍射极限光斑大小，dy为入射光在y方向的衍射极限
光斑大小；
27.s6：荧光接收组件对待测动物循环系统中外泌体发出的荧光进行信号采集和分析。
28.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的改进之处在于，
29.1、本发明中的动物循环系统中外泌体的监测装置可以对动物循环系统中的外泌体进行非侵入式的检测，避免了传统方法需要频繁采样和样本处理的过程，且可以进行长时间的动态监测，能够在监测过程中保持样本的生理状态，使得监测结果更贴近活体状态。
30.2、本发明中的动物循环系统中外泌体的监测装置以转换高斯光束激发待测粒子荧光，可以对血液循环中外泌体进行实时监测，实时评估外泌体在循环中浓度的变化，从而可以进行外泌体代谢等相关研究，同时还可以确定外泌体输注后的循环时间，进行外泌体载药靶向治疗肿瘤等相关研究。
31.3、本发明中的荧光信号分析设备采用分割算法对信号基线高度进行识别，相比于现有技术中确定信号基线高度采用的人工标注法需消耗大量时间和人力，且不准确来说，本发明中对信号基线高度进行识别的方法加入人工智能算法，极大增加了准确度和效率，节省人力和时间，且可以通过软件直接给出测量结果，即使非专业人员也可以轻松使用。
附图说明
32.图1为本发明中监测装置结构示意图。
33.图2为本发明中监测方法的流程图。
34.图3为本发明实施例二中荧光接收器监测到的小鼠血管内外泌体的荧光信号图。
35.其中：1-血管定位组件，2-光源组件，3-荧光接收组件，4-动物放置平台，5-折光系统，6-照明灯，7-成像设备，8-激光光源，9-高斯光束转换矩阵，10-荧光接收器，11-荧光信号分析设备，12-转换高斯光束。
具体实施方式
36.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
37.实施例一：
38.参照附图1所示的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，包括动物放置平台4，所述动物放置平台4用于放置待测动物，也可以是用于人体监测的其他平台；还包括血管定位组件1、用于激发动物外泌体产生荧光的光源组件2、用于接收外泌体产生的荧光的荧光接收组件3和折光系统5，所述折光系统5位于所述动物放置平台4的上方，所述光源组件2位于所述折光系统5的上方，所述血管定位组件1和荧光接收组件3位于所述动物放置平台4的一侧；所述光源组件2发出的光线经过所述折光系统5后照射至动物放置平台4，动物放置平台4上的动物循环系统中外泌体产生的荧光经过折光系统5后进入血管定位组件1和荧光接收组件3中。
39.具体的，所述血管定位组件1用于辅助操作人员选择需要监测的目标血管并调整监测的位置，包括照明灯6和成像设备7，所述照明灯6可以为中心波长为530nm的led灯，或者其他中心波长的led灯，亦或是其他能够实现照明效果的光源，成像设备7包括接收图像
的设备和呈现图像的设备，所述成像设备7的高度与所述折光系统5的高度相匹配；动物放置平台4上的动物外泌体产生的荧光经过折光系统5后进入成像设备7，成像设备对其进行拍摄和成像，照明灯6为成像提供照明条件。
40.所述光源组件2包括激光光源8和高斯光束转换矩阵9，所述激光光源8包括一个或者多个激光发射器，用于产生不同波长的激光(比如488nm激光和561nm激光)，所述高斯光束转换矩阵9位于所述激光光源8的下方，且所述高斯光束转换矩阵9包括一系列可以实现高斯光束转换的光学元件，用于将激光光源8发出的激光根据转换公式φ
x
＝4λm2/πd
x
+kd3/f2，φy＝dy进行整形聚焦成转换高斯光束12覆盖小鼠血管横截面；转换公式中，λ为入射光束的波长；m2为激光束质量因子；d为入射光束的直径；k为波数；f为透镜焦距，φ
x
为出射光在x方向的衍射极限光斑大小，d
x
为入射光在x方向的衍射极限光斑大小，φy为出射光在y方向的衍射极限光斑大小，dy为入射光在y方向的衍射极限光斑大小。
41.所述荧光接收组件3用于接收动物循环系统中外泌体在转换高斯光束12作用下产生的荧光并对接收信号进行分析处理，包括荧光接收器10和用于对荧光信号基线高度进行识别的荧光信号分析设备11，所述荧光接收器10的高度与所述折光系统5的高度相匹配，动物循环系统中外泌体产生的荧光经折光系统5改变光路后照射至荧光接收器10，所述荧光接收器10与所述荧光信号分析设备11通讯连接。荧光接收器10包括具有极高灵敏度和超快时间响应的真空电子器件以及多模光纤收发器等器件，可以接收微弱的荧光信号并将其转换成电信号。荧光信号分析设备11用于对荧光接收器接收的荧光信号进行处理分析，包括信号调制解码等对信号进行分析的部分，可采用深度学习等算法对信号进行去噪从而获取外泌体的荧光信号，所述荧光信号分析设备11具体可采用滤波器和计算机等设备。
42.所述荧光信号分析设备11对荧光信号基线高度进行识别的具体操作包括以下步骤，
43.s1：对荧光接收器10传输至荧光信号分析设备11的图像进行预处理；根据图像质量和信号的特点，进行平滑、去噪、对比度增强和背景减除；
44.s2：对预处理后的图像的信号区域进行分割；使用阈值处理、区域增长、边缘检测或基于机器学习的分割算法将信号区域与图像中其他结构分开；
45.s3：找到信号基线的最高点和最低点，并对信号进行拟合；利用图像分割算法确定信号基线区域，找到信号基线图像的最上端和最下端，分别作为信号基线的最高点和最低点，然后利用多项式回归、花键插值和最小二乘法对信号进行拟合；
46.s4：计算信号基线高度；将拟合的信号基线上端曲线作为最高点，下端曲线作为最低点，定义最高点减去最低点再除以2为基线最终高度值，用定义的公式计算出信号基线高度；
47.所述折光系统5为聚光镜、变色镜、回光镜中的一种或多种，用于控制光路走向，将血管定位器1、光源组件2、荧光接收组件和动物放置平台4之间的光路连接在一起。
48.如附图2所示，本发明中监测装置在使用过程中包括以下步骤，
49.s1：将待测动物放置在动物放置平台4上；
50.s2：开启光源组件2，光源组件2发出的激光经过折光系统5后照射在待测动物体上；
51.s3：开启血管定位组件1，对待测动物进行二维成像；
52.s4：根据血管定位组件1生成的图像对待测动物的位置进行移动，选择目标血管并调整焦平面至图像清晰；
53.s5：观察光源组件2发出的激光经过转换公式φ
x
＝4λm2/πd
x
+kd3/f2，φy＝dy形成的转换高斯光束12是否横跨目标血管，若是，继续步骤s6，若不是，调整待测动物的位置，重复步骤s3～s4，直至转换高斯光束横跨整个目标血管；
54.s6：荧光接收组件3对待测动物循环系统中外泌体发出的荧光进行信号采集和分析；
55.具体的，荧光接收器10对荧光信号图像进行采集后，荧光信号分析设备11对图像进行分析，识别出荧光信号基线高度，根据荧光信号基线高度可以判断外泌体浓度。根据朗伯比尔定律，信号基线高度与外泌体浓度成正比，基线升高则代表外泌体浓度升高，基线降低则代表外泌体浓度降低。
56.信号峰与外泌体聚集有关，外泌体浓度越高，其聚集情况越明显，则监测到的信号峰越多。
57.实施例二：
58.实施例二利用实施例一中的监测装置和监测方法，使用dio染色的外泌体注入小鼠血管内，进行外泌体的监测，具体监测方法为：将dio作为荧光染料对外泌体进行染色，将小鼠血管作为作为监测对象，将染色后的外泌体注入小鼠血管内，根据血管定位组件1中形成的图像调整动物放置平台4，使用于激发外泌体的荧光的光源组件2形成的转换高斯光束12覆盖待测血管的横截面，当dio染色的外泌体流经转换高斯光束12时会被激光激发产生荧光，用于接收外泌体产生的荧光接收组件3接收荧光信号并通过人工智能信号处理技术去除背景噪声，获取外泌体的荧光信号，实现对待测样本血液循环中外泌体的实时动态监测。
59.具体的，培养前列腺癌细胞(pc3)并在培养过程中收集细胞培养液，对收集的培养液利用超高速离心法提取外泌体，利用dio染料对提取的外泌体进行染色，按照5
×
109个/克的剂量通过尾静脉将dio染色的外泌体注射入小鼠体内，注射后将小鼠放置于装置上利用488nm的激光进行检测。连续监测一个小时，以每5分钟为一次小的节点，最后将所有数据汇总，统计每5分钟信号基线的高度和信号峰个数，结果如附图3所示，根据信号基线的高度和信号峰个数的变化分析循环中dio染色的外泌体的代谢情况。
60.从附图3中可以看出，信号基线高度为0.7385，监测到两个信号峰。
61.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种动物循环系统中外泌体的监测装置，包括动物放置平台(4)，其特征在于：还包括血管定位组件(1)、用于激发动物外泌体产生荧光的光源组件(2)、用于接收外泌体产生的荧光的荧光接收组件(3)和折光系统(5)，所述折光系统(5)位于所述动物放置平台(4)的上方，所述光源组件(2)位于所述折光系统(5)的上方，所述血管定位组件(1)和荧光接收组件(3)位于所述动物放置平台(4)的一侧；所述光源组件(2)发出的光线经过所述折光系统(5)后照射至动物放置平台(4)，动物放置平台(4)上的动物循环系统中外泌体产生的荧光经过折光系统(5)后进入血管定位组件(1)和荧光接收组件(3)中。2.根据权利要求1所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：所述血管定位组件(1)包括照明灯(6)和成像设备(7)，所述成像设备(7)的高度与所述折光系统(5)的高度相匹配。3.根据权利要求1所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：所述光源组件(2)包括激光光源(8)和高斯光束转换矩阵(9)，所述高斯光束转换矩阵(9)位于所述激光光源(8)的下方。4.根据权利要求1所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：所述荧光接收组件(3)包括荧光接收器(10)和用于对荧光信号基线高度进行识别的荧光信号分析设备(11)，所述荧光接收器(10)的高度与所述折光系统(5)的高度相匹配，所述荧光接收器(10)与所述荧光信号分析设备(11)通讯连接。5.根据权利要求4所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：所述荧光信号分析设备(11)对荧光信号基线高度进行识别的具体操作包括以下步骤，s1：对荧光接收器(10)传输至荧光信号分析设备(11)的图像进行预处理；s2：对预处理后的图像的信号区域进行分割；s3：找到信号基线的最高点和最低点，并对信号进行拟合；s4：计算信号基线高度；将拟合的信号基线上端曲线作为最高点，下端曲线作为最低点，定义最高点减去最低点再除以2为基线最终高度值，用定义的公式计算出信号基线高度。6.根据权利要求5所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：步骤s1中图像预处理操作包括图像平滑、去噪、对比度增强和背景减除。7.根据权利要求5所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：步骤s2中使用阈值处理、区域增长、边缘检测或基于机器学习的分割算法将信号区域与图像中其他结构分开。8.根据权利要求5所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于，步骤s3的具体操作包括以下步骤：利用图像分割算法确定信号基线区域，找到信号基线图像的最上端和最下端，分别作为信号基线的最高点和最低点，然后利用多项式回归、花键插值和最小二乘法对信号进行拟合。9.根据权利要求1所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置，其特征在于：所述折光系统(5)为聚光镜、变色镜、回光镜中的一种或多种，用于控制光路走向。10.如权利要求1-9任一项所述的一种动物循环系统中外泌体的监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤，s1：将待测动物放置在动物放置平台(4)上；
s2：开启光源组件(2)，光源组件(2)发出的激光经过折光系统(5)后照射在待测动物体上；s3：开启血管定位组件(1)，对待测动物进行二维成像；s4：根据血管定位组件(1)生成的图像对待测动物的位置进行移动，选择目标血管并调整焦平面至图像清晰；s5：观察光源组件(2)发出的激光经过转换公式φ
x
＝4λm2/πd
x
+kd3/f2，φ
y
＝d
y
形成的转换高斯光束(12)是否横跨目标血管，若是，继续步骤s6，若不是，调整待测动物的位置，重复步骤s3～s4，直至转换高斯光束横跨整个目标血管；转换公式中，λ为入射光束的波长；m2为激光束质量因子；d为入射光束的直径；k为波数；f为透镜焦距，φ
x
为出射光在x方向的衍射极限光斑大小，d
x
为入射光在x方向的衍射极限光斑大小，φ
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为出射光在y方向的衍射极限光斑大小，d
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为入射光在y方向的衍射极限光斑大小；s6：荧光接收组件(3)对待测动物循环系统中外泌体发出的荧光进行信号采集和分析。

技术总结
本发明公开了一种动物循环系统中外泌体的监测装置及监测方法，属于外泌体监测技术领域，包括动物放置平台，还包括血管定位组件、用于激发动物外泌体产生荧光的光源组件、用于接收外泌体产生的荧光的荧光接收组件和折光系统，所述折光系统位于所述动物放置平台的上方，所述光源组件位于所述折光系统的上方，所述血管定位组件和荧光接收组件位于所述动物放置平台的一侧；所述光源组件发出的光线经过所述折光系统后照射至动物放置平台，动物放置平台上的动物循环系统中外泌体产生的荧光经过折光系统后进入血管定位组件和荧光接收组件中。本发明中的监测装置能够实现对动物循环系统内的外泌体进行实时动态监测，观察外泌体在动物体内的分布情况。在动物体内的分布情况。在动物体内的分布情况。


技术研发人员：魏勋斌 夏伟梁 张富丽 陆昕
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/26