基于原子力显微镜(AFM)的细胞黏弹特性测量与分析

细胞机械特性在细胞生理病理变化过程中起着重要指示作用,对其进行研究有助于了解生命活动奥秘以及疾病发生发展的内在机理.原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞机械特性研究提供了新的技术手段,给细胞力学及癌症等重大疾病带来了大量新的认识.然而现有AFM细胞机械特性探测主要集中在细胞弹性特性,对细胞黏弹特性进行的研究和分析还较为缺乏.本文基于AFM开展了细胞黏弹特性测量和分析研究.首先建立了基于AFM单细胞压痕技术的细胞黏弹特性探测方法,基于此实现了对6种不同类型细胞(包括贴壁细胞、悬浮细胞、正常细胞、癌细胞、细胞系和原代细胞等)黏弹特性(松弛时间)的测量与表征,随后对测量结果进行回归分析揭示出细胞1阶松弛时间和2阶松弛时间之间的关联.研究结果加深了人们对细胞黏弹特性的认识,为单细胞机械特性研究提供了新的思路.     

细胞怎样感知与响应微环境机械力学性能

近年来,随着细胞力学行为相关研究的深入发展,细胞与微环境的物理力学联系不断被揭示.细胞力学刺激与响应已被充分证明在微观的细胞铺展、迁移、增殖、分化等行为,以及宏观的胚胎发育、组织形成、疾病发展等至关重要的生物过程中扮演决定性角色.与细胞力刺激相关的刚度、形貌、配体分布等物理性能也因此成为生物材料设计的重要参数.然而,这些静态的物理参数怎样给予细胞力学刺激,细胞又是怎样感受微环境中的机械力学性能,这是一个有趣的话题.本文详细介绍了细胞的力学响应机制,突出了细胞内作用力在细胞力学响应过程中的决定性作用;从分子生物学角度阐述了细胞内力的传递与力学信号转导过程;借此助力生物材料领域学者对细胞与生物材料相互作用的理解,推动细胞与分子生物力学的发展以及新型生物材料的研究与开发.     

pH值对红细胞膜力学特性和胞内蛋白结构与功能的影响

利用快速显微动态图像分析技术和快速显微多道分光光度技术, 在无损、在位、实时的情况下, 同时从细胞内分子、细胞膜以及细胞形态3个水平上, 研究单个活态人红细胞的大小形态、膜弯曲弹性模量和血红蛋白的吸收光谱等在不同pH值下的自主变化情况, 表明了红细胞膜的力学特性和胞内血红蛋白分子结构与浓度随pH值发生自主变化及其相互之间的密切联系.     

基于AFM 单分子力谱技术的CD20-Rituximab 间相互作用力测量

原子力显微镜(AFM)的发明为测量分子间特异性相互作用力提供了新的技术手段.利用AFM 单分子力谱 (SMFS) 技术分别测量了提纯的CD20, 淋巴瘤Raji 细胞表面的CD20 和淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab (抗CD20 单克隆抗体)之间的相互作用力. 通过探针功能化技术, 将Rituximab 连接到AFM针尖; 通过基底功能化技术, 将提纯的CD20分子吸附到云母表面, 对CD20分子进行了AFM成像, 并测量了CD20与Rituximab 之间的相互作用力; 通过静电吸附和化学固定, 将淋巴瘤Raji 细胞和淋巴瘤病人细胞固定到载玻片表面, 对Raji 细胞和病人细胞进行了AFM 成像, 并分别测量了Raji 细胞表面的CD20 和病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力. 比较并分析了在提纯的CD20 分子表面、Raji 细胞表面和病人B 细胞表面测量CD20-Rituximab 相互作用力的差异,实验结果表明Raji 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力明显小于提纯的CD20 以及淋巴瘤病人B 细胞表面的CD20 与Rituximab 之间的相互作用力, 为深入研究造成Rituximab 耐药性差异的分子机理提供了技术思路和实验方法.     

AFM单分子力谱技术测量膜蛋白力学特性的研究进展

膜蛋白在细胞生理活动中起着关键性的作用,是大部分药物的作用靶点.对膜蛋白进行研究不仅对理解生命活动的本质有着重要的价值,还可为疾病治疗和医药研发带来帮助.原子力显微镜(AFM)的出现为研究膜蛋白的结构提供了一种新的技术手段.AFM不仅可以对单个天然态膜蛋白分子的形貌结构进行高分辨率成像,同时还可通过将配体分子修饰到AFM针尖,利用单分子力谱(SMFS)技术对膜蛋白生理功能与活动行为(如配体结合、解折叠)中的力学特性进行直接测量,使得人们可以从分子生物力学方面来认识膜蛋白的结构和功能,是对传统结构生物学方法得到的蛋白质静态三维结构的重要补充.SMFS技术在测量膜蛋白力学特性方面取得了巨大的成功,为生命科学和医药卫生领域相关问题的解决提供了新的思路.本文结合作者在AFM病理瘤细胞表面抗体-抗原相互作用力测量方面的研究工作,介绍了SMFS技术的原理与方法,总结了近年来应用SMFS技术研究膜蛋白力学特性的进展,讨论了SMFS技术面临的挑战.     

运用四参数三相混合模型和瞬态超声成像技术提取关节软骨的弹性模量

作为一种覆盖在关节骨表面的重要承重组织, 关节软骨的结构或成分的细微变化都会造成软骨的退化, 最终导致如骨关节炎等疾病的发生, 因此研究软骨的力学性质有重要意义. 应用50 MHz高频瞬态超声系统观测关节软骨随深度变化的渗透性膨胀行为, 依据超声回波计算得到软骨不同深度的应变量, 然后运用改进的四参数三相混合模型计算软骨的轴向弹性模量, 实验结果与模型预测趋势基本一致. 该研究表明利用瞬态超声技术, 可以有效观测软骨内部随深度变化的膨胀行为, 结合四参数三相混合模型, 可以更准确的描述关节软骨的力学性质.     

致肾盂肾炎大肠埃希菌对不同细胞感染能力的比较

致肾盂肾炎大肠埃希菌(uropathogenic Escherichia coli,UPEC)与尿路上皮细胞之间的相互作用对阐明泌尿道感染的发病机制具有重要意义.本研究利用UPEC132感染非洲绿猴肾细胞(Vero细胞)、人肾癌细胞(Ketr-3细胞)和膀胱癌细胞(EJ细胞),比较细菌对3种细胞的黏附和侵袭能力.结果表明,UPEC132对上述3种细胞均能黏附与侵袭,其黏附率分别为(49.20±7.55)%,(55.22±4.09)%和(73.20±5.26)%,侵袭指数分别为(2.61±0.32)×10-3,(3.00±0.34)×10-3和(3.25±0.20)×10-3.UPEC132对EJ细胞的黏附率高于另外2种细胞(P<0.05),对EJ细胞的侵袭指数与Ketr-3细胞无显著性差异(P>0.05),但高于Vero细胞(P<0.05).用间接免疫荧光法检测细胞表面P血型抗原物质,表明3种细胞均存在P菌毛受体,以EJ细胞表面的受体分布最多.激光共聚焦显微镜可直接观察到表达绿色荧光蛋白的UPEC132/pSELECT-GFP对EJ细胞的侵袭.由于UPEC132对EJ细胞的黏附能力最强,并直接证明具有侵袭性,...     

基于微纳材料与器件测量细胞温度

最近10年里,科研人员研发了多种微纳尺度测温传感器,希望能够借此来精确测量细胞内的温度或温度分布,但由于单个细胞的诸多限制,这些细胞测温传感器也在不断发展完善.本文将综述近年来基于微纳材料与器件测量细胞温度的研究进展,重点介绍微纳热电偶的实时细胞测温技术,最后介绍此类传感器在药物筛选、疾病诊疗等领域中的应用,并对细胞测温技术的后续发展进行了展望.具体而言,本文指出微纳尺度的细胞测温传感器一般可以分为荧光式细胞温度测量法和探极式细胞温度测量法:荧光式细胞温度测量法主要有作为温度计的有机化合物、量子点、聚合物和生物分子;探极式细胞温度测量法主要有作为热探针的热电偶、铂电阻和碳纳米管.     

癌症的免疫疗法

癌症治疗法有许多种。例如作为局部疗法的手术治疗和放疗;作为全身疗法的化疗和免疫疗法;内分泌疗法等。那么,迄今为止所应用的免疫疗法与研究中的免疫疗法之间有什么区别呢？首先,从患者体内摘出癌细胞并加以培养,然后进行细胞内目的细胞分裂素类的基因重组。通常的癌细胞不能产生防卫人体的细胞分裂素。但是通过基因操作的这种癌细胞,时常大量释放出细胞分裂素。照射射线后使其不能增殖,再用皮下注射法等使它回到患者皮下。这种进人体内的癌细胞,如果在细胞表面上提示癌抗原,被认识抗原的免疫细胞就聚集在其周围。而且,通过从癌…     

单个铁蛋白分子的弹性模量研究

采用原子力显微镜接触模式的力-体积(force-volume)方法测量了单个铁蛋白分子的力学性质, 并利用Hertz模型定量计算了单个铁蛋白分子的弹性模量. 实验结果表明, 在较小的压缩形变量内, 单个铁蛋白分子的弹性模量约为250~800 MPa. 另外, 在相同实验条件下, 比较了铁蛋白分子和胶体金的弹性模量     

赋存深度对岩石力学参数影响的实验研究

研究赋存深度对岩石物理力学参数的影响,对于认识深部岩体变形破坏规律,以及分析深部工程灾害事故机理具有十分重要的意义.通过在北京门头沟矿区大台井同一岩层进行现场取样,获得了赋存深度处于410~1010m的7个深度水平上的同一层玄武岩,将其加工成77个标准试件(其中单压21个、三轴35个、劈裂21个),借助MTS815和RMTS150岩石力学实验系统,分别进行了单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂实验,获得了玄武岩密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等基本岩石物理力学参数随赋存深度的变化规律.研究发现,统计意义上玄武岩密度、弹模、单拉强度、单压强度、黏聚力、内摩擦角随赋存深度的增大而线性增加,仅泊松比随深度增加而线性减小.另外,还简要分析了造成不同深度同一岩层物理力学参数差异的原因.     

气孔运动中pH 对保卫细胞壁弹性模量的影响

保卫细胞壁的特性对气孔运动有重要的影响. 以前的研究多集中于保卫细胞壁的解剖结构, 对气孔运动中保卫细胞壁物理性质的改变了解很少. 本研究以蚕豆叶片表皮条为材料,运用细胞压力探针技术, 对气孔运动中不同pH下的保卫细胞壁弹性模量(ε)进行了测量. 研究发现, 当pH 从8.60 降至6.50 时, 保卫细胞壁的弹性模量从7.098 Pa 降至5.690 Pa. 气孔运动中, 较低的保卫细胞壁弹性模量有利于保卫细胞改变体积, 进而有助于气孔运动的完成. 从保卫细胞通过调控细胞壁pH 改变细胞壁弹性模量的角度来分析气孔运动机理, 对于完善气孔运动机理假说, 进而深刻理解气孔运动, 具有重要的意义.     

细胞体积对细胞生理功能的调控作用

细胞作为一个动态的开放系统,可以与周围环境不断进行物质和能量交换,因而细胞体积可以发生很大的变化.研究发现,细胞体积的变化能够调控细胞的力学性质、代谢活动、细胞活性、细胞繁殖和基因表达等生理活动.但是细胞体积和压力调控的力学机制,以及细胞体积的变化对各种生理过程产生影响的物理机制仍有待研究.本文将介绍相关的研究进展,特别是关于动物细胞体积和压力调控机制的基本力学生物学模型,并讨论细胞体积变化对癌细胞迁移以及细胞黏附和脱黏的影响机制.     

化学机械抛光材料分子去除机理的研究

考虑磨粒黏着力、芯片表面缺陷和表面氧化薄膜厚度以及磨粒/抛光垫大变形的条件下, 通过量级估算的方法研究了分子量级的化学机械抛光(CMP)材料去除机理. 理论分析和试验研究结果表明: 磨粒压入芯片的深度、磨粒在芯片表面的划痕深度以及抛光后芯片表面的粗糙度都在分子量级或者更小. 因此, 分子量级的CMP材料去除机理得到了理论分析和试验数据较为广泛的证实. 此外, 随着磨粒直径的减小, CMP材料分子去除机理成为CMP机理研究中富有活力的新分支. 该研究对于证实分子量级的CMP材料去除机理具有较大的意义, 同时该结果对进一步CMP微观去除机理的研究具有理论科学意义.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

SPR细胞传感器对PMA诱导的C6活细胞内分子事件的动态无创性监测

从分子和细胞水平探讨机体对外界刺激的反应机理, 对从微观水平研究活细胞内分子活动的过程、规律及特点以及开展细胞分子生物学研究具有重要意义. 本研究针对动态监测和研究活细胞内分子事件的需求, 以表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)技术为核心, 设计研制了能够用于细胞培养和动态细胞学效应监测的SPR细胞传感器装置. 利用该装置, 实时研究了佛波酯作用于C6细胞所诱发的特征性SPR信号. 该信号同PMA作用于无细胞的空白传感器明显不同, 呈现规律性变化, 具有PMA剂量依赖性和饱和性特点, 且能够被PKC抑制剂减弱甚至完全抑制. 这说明该信号源于PKC活化等细胞内反应所导致的生物分子在细胞膜部位的重新分布. SPR细胞传感器技术为动态、无创性研究活细胞内分子事件发生的时空特点及规律提供了新的量化分析方法与思路. 该技术还可用于空间细胞学效应研究、配体垂钓、药物筛选及生物战剂监测等基础研究和应用研究.     

蝾螈足垫形貌特征及黏附机制

为探讨东方蝾螈足垫的黏附特性,本文分别进行了蝾螈的黏附实验研究及其足垫的微观形貌分析.黏附实验结果显示:东方蝾螈能够黏附在超过90°的光滑干或湿的玻璃表面上,整体显示出较强的剪切抵抗能力,与蝾螈亚成体相比,蝾螈幼体表现出更强的垂直黏附效率.形貌分析结果显示:蝾螈亚成体的足垫表面存在大量的黏液腺孔,表皮细胞间存在窄裂缝,而蝾螈幼体的足垫表面黏液腺孔稀少,表皮细胞(大小约29?m)排列紧密,细胞被明显的凸起边界(宽度337±82 nm,高度180±55 nm)围绕.蝾螈亚成体和幼体的足垫表皮细胞表面均被一层尖端呈半球形的纳米柱阵列覆盖,纳米柱被小沟槽围绕.纳米柱的数量密度约为60个/?m2,其高度和宽度相当,约为160 nm,对应约1.0的高宽比.纳米压痕测试显示:蝾螈足垫表面较软,其有效弹性模量约为564.8±239.1 k Pa.基于黏附实验及形貌分析结果,文章重点讨论了足垫形貌特征与其相适应的黏附机制.本研究可为新一代仿生水下黏附材料的开发提供新颖的启发.     

癌细胞转移可能与某种波有关

美国梅约医学中心(Mayo Clinic)研究人员最近发现了一个新秘密——癌细胞的转移可能与某种波有关。长期以来,癌细胞的转移与扩散一直是压在医患头上的一座山。若能摸清癌细胞的活动规律和转移机理,就可为癌症患者提供更新更好的治疗。波现象的发现为解开癌细胞转移和扩散之谜带来了希望的曙光。不久前,美国梅约医学中心研究人员通过显微镜观察到某些肿瘤细胞的表面出现一种快速翻动的奇怪的圆形波,与此同时,一些蛋白质从细胞外向细胞内积极运动。这一发现使研究人员们兴奋不已:是这些波在“指挥”蛋白质反常运行使肿瘤细胞得以过度生长吗?…     

激光加工制备仿芦苇叶结构的超疏水表面

仿芦苇叶结构的超疏水表面在抗结冰、自清洁等领域有着重要的应用.但是,目前仍缺乏一种简单制备仿芦苇叶微纳米结构的方法.本文采用激光烧蚀手段制备基于聚二甲基硅氧烷的具有仿芦苇叶结构超疏水表面.激光烧蚀处理具有微光栅结构的聚二甲基硅氧烷,高能量激光作用时可以烧蚀出次级微纳结构,提高表面粗糙度,其浸润性各向异性明显,沿着垂直方向测量的接触角(～155°)比平行方向测量的接触角(～150°)大,达到超疏水,且沿着垂直方向测量的滚动角(～3°)比平行方向测量的接触角(～12°)小.本方法为激光制备仿生结构超疏水表面提供了新思路.     

滨海潮滩土壤中微塑料的分离及其表面微观特征

微塑料(5 mm)作为海岸带地区的新型污染物正越来越受到关注.本研究以我国河北省曹妃甸围填海区潮滩土壤为例,采用自行改进设计的连续流动-气浮分离一体化装置,有效分离和提取了潮滩土壤样品中微塑料,并结合扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)对微塑料表面的微观特性进行了表征.研究结果表明,供试土壤中微塑料丰度达到317 n/500 g(其中n表示微塑料个数),平均粒径为1.56±0.63 mm,其中1 mm的微塑料占49.8%;微塑料丰度上整体呈现随粒径变小而增加的趋势.在土壤中分离到碎片、颗粒、纤维和薄膜四类微塑料,其中,黑色碎片类微塑料为首次报道的类型.颗粒类微塑料丰度最大但平均粒径最小.土壤中微塑料表面均有不同程度的风化痕迹,具有不同形态和大小的微孔结构.在部分微塑料中还发现其表面附着稳定的铁氧化物.未来需要深入研究了解基于微塑料表面特性的污染物结合机制、生物积累与生态毒性,尤其更需关注丰度较高、颗粒更细的1 mm的这部分微塑料(MP1).