细胞电化学分析
来源：科思特仪器
发布时间：2016-07-14
浏览人次：0
细胞是构成有机体的基本单位，是有机体生长与发育的基础，是物质能量和信息精巧结合的综合体。对细胞的认识和理解是一切生命科学研究的基础。同时，一个细胞，无论处于兴奋状态，还是静息状态，都会不断地产生电荷的变化，众多生理活动都伴随着电荷的定向传递、传导或者转移。因此，电化学反应是细胞基本生命活动的重要基础。
生物电化学是20世纪70年代兴起的一门采用电化学的基本原理和实验方法，在分子和细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷在生物体系及其模拟体系中的分布、传输转移及转化的交叉科学。20世纪后期至今，生物电化学尤其是生物电分析化学发展极为迅速。其中，细胞的电化学分析作为生物电分析化学的一个重要分支，引起了同行的广泛关注。以细胞作为直接的电化学研究对象更有利于了解细胞内在的亚细胞反应机制，有助于深入探索其相关的生理活动;细胞内部级联放大反应可以有效提高检测的灵敏度;从细胞内部提取的酶具有更高的生物活性，而使用从细胞中直接提取的物质进行研究更可以降低检测分析的成本。因此，细胞的电分析化学研究正为深入认识有机体在细胞水平上的运动规律以及揭示生命活动的奥妙提供越来越多有力的技术支持，为疾病诊治、药物设计、药物副作用控制以及微生物监测等提供科学理论和实验依据。
1.细胞基本结构和功能的电化学分析
20世纪90年代，研究者尝试通过蛋白膜伏安法技术将结构更为复杂的蛋白复合体——光系统Ⅰ和光系统Ⅱ固定在电极表面，并通过光系统的伏安行为对其电子传递过程进行体外模拟研究，以电化学技术对光合作用的机理进行推测和验证。自此之后，生物电分析化学的探索就不再局限于简单的活性小分子或者单个带有电活性中心的蛋白质，逐渐向更加宏观的细胞器，乃至整个活细胞拓展。有学者以牛血清白蛋白和戊二醛作为膜材料，将新鲜提取的线粒体固定在热解石墨电极表面。由于外加电场改变了线粒体外膜的通透性，位于线粒体内外膜之间的细胞色素c和FAD/FADH2透过外膜的空隙与电极发生电子传递，产生了两对氧化还原峰，而线粒体内膜内侧的NADH则在线粒体膜被破坏后与电极表面发生氧化还原反应，产生信号响应。他们还发现，当琥珀酸加入到线粒体中后，促进了氧气接受电子生成活性氧物质( ROS)，因而氧气的还原峰电化学信号随之增强。
基于蛋白膜伏安法的研究基础，研究者制备了多种具有良好生物相容性的膜材料，并将细胞固定到电极表面，进行电分析化学研究。不同于传统的蛋白膜伏安法，Meng等提出了一种借助转染技术将细胞固定在固体界面(金电极)的普适方法，并据此对细胞内物质进行了电化学分析探讨。依据外源DNA在Ca2+存在的条件下可以通过转染进入细胞体内的原理，在Ca2+存在的条件下，293T细胞通过转染固定到巯基DNA修饰的金电极表面此时，作为细胞固定工具的巯基DNA又可作为电子传递的通道，促进细胞内的电活性物质和电极表面的电子传递。在该研究中，作为细胞染色试剂的亚甲基蓝分子以及与细胞预培养的中药分子山奈酚均以巯基DNA为导线，随着细胞的固定与电极发生电子传递产生相应的电化学信号。因此，该研究以核酸分子作为固定细胞的材料以及电子传递通道，实现了细胞在电极界面的固定并得到胞内活性物质的电化学信号，使细胞内部物质的电化学分析成为可能。
图1金电极表面组装293T细胞示意图
2.细胞凋亡的电化学分析
细胞凋亡的失调与多种疾病密切相关，如阿兹海默症各种肿瘤艾滋病以及自身免疫病等。因此，细胞凋亡的检测不仅有助于提高病程判断的准确性，更可以作为治疗干预效果判断的早期标志。
在早期凋亡的细胞中，磷脂酰丝氨酸会从细胞质膜的内侧翻转到外侧，从而暴露在细胞外表面。因此，以Ca2+依赖性磷脂结合蛋白——膜联蛋白V作为探针特异性地识别细胞表面暴露的磷脂酰丝氨酸是细胞凋亡检测最常用的手段之一。Tong等通过电极表面的金纳米颗粒层将膜联蛋白V固定在电极表面。随后，表面暴露有大量磷脂酰丝氨酸的早期凋亡细胞通过和膜联蛋白V紧密结合固定在电极表面，阻碍了溶液中铁氰化钾分子与电极的电子传递，增加了电极表面的阻抗值。
3.肿瘤细胞表面多糖的电化学分析
细胞表面的糖类在癌症的发生和迁移过程中起着重要作用，常作为肿瘤细胞检测的靶位点。因此，对细胞表面糖类的电化学分析不仅有助于了解它们在疾病发展中的作用，更有助于肿瘤的早期诊断。如图2所示，Ding等利用电极表面的甘露糖基分子和肿瘤细胞表面的多糖竞争结合植物凝集素伴刀豆球蛋白A，提出了一种肿瘤细胞表面多糖分析的电化学方法。研究表明，由于表面富含甘露糖的白血病细胞K562与电极表面的甘露糖竞争结合溶液中量子点标记的Con A，结合到电极表面的Con A就会相对减少，因而降低了电化学信号响应。此方法可以检测到细胞浓度低至102cell/ml的肿瘤细胞，是高度灵敏的检测手段。
生物电化学是20世纪70年代兴起的一门采用电化学的基本原理和实验方法，在分子和细胞两个不同水平上研究或模拟研究电荷在生物体系及其模拟体系中的分布、传输转移及转化的交叉科学。20世纪后期至今，生物电化学尤其是生物电分析化学发展极为迅速。其中，细胞的电化学分析作为生物电分析化学的一个重要分支，引起了同行的广泛关注。以细胞作为直接的电化学研究对象更有利于了解细胞内在的亚细胞反应机制，有助于深入探索其相关的生理活动;细胞内部级联放大反应可以有效提高检测的灵敏度;从细胞内部提取的酶具有更高的生物活性，而使用从细胞中直接提取的物质进行研究更可以降低检测分析的成本。因此，细胞的电分析化学研究正为深入认识有机体在细胞水平上的运动规律以及揭示生命活动的奥妙提供越来越多有力的技术支持，为疾病诊治、药物设计、药物副作用控制以及微生物监测等提供科学理论和实验依据。
1.细胞基本结构和功能的电化学分析
20世纪90年代，研究者尝试通过蛋白膜伏安法技术将结构更为复杂的蛋白复合体——光系统Ⅰ和光系统Ⅱ固定在电极表面，并通过光系统的伏安行为对其电子传递过程进行体外模拟研究，以电化学技术对光合作用的机理进行推测和验证。自此之后，生物电分析化学的探索就不再局限于简单的活性小分子或者单个带有电活性中心的蛋白质，逐渐向更加宏观的细胞器，乃至整个活细胞拓展。有学者以牛血清白蛋白和戊二醛作为膜材料，将新鲜提取的线粒体固定在热解石墨电极表面。由于外加电场改变了线粒体外膜的通透性，位于线粒体内外膜之间的细胞色素c和FAD/FADH2透过外膜的空隙与电极发生电子传递，产生了两对氧化还原峰，而线粒体内膜内侧的NADH则在线粒体膜被破坏后与电极表面发生氧化还原反应，产生信号响应。他们还发现，当琥珀酸加入到线粒体中后，促进了氧气接受电子生成活性氧物质( ROS)，因而氧气的还原峰电化学信号随之增强。
基于蛋白膜伏安法的研究基础，研究者制备了多种具有良好生物相容性的膜材料，并将细胞固定到电极表面，进行电分析化学研究。不同于传统的蛋白膜伏安法，Meng等提出了一种借助转染技术将细胞固定在固体界面(金电极)的普适方法，并据此对细胞内物质进行了电化学分析探讨。依据外源DNA在Ca2+存在的条件下可以通过转染进入细胞体内的原理，在Ca2+存在的条件下，293T细胞通过转染固定到巯基DNA修饰的金电极表面此时，作为细胞固定工具的巯基DNA又可作为电子传递的通道，促进细胞内的电活性物质和电极表面的电子传递。在该研究中，作为细胞染色试剂的亚甲基蓝分子以及与细胞预培养的中药分子山奈酚均以巯基DNA为导线，随着细胞的固定与电极发生电子传递产生相应的电化学信号。因此，该研究以核酸分子作为固定细胞的材料以及电子传递通道，实现了细胞在电极界面的固定并得到胞内活性物质的电化学信号，使细胞内部物质的电化学分析成为可能。
图1金电极表面组装293T细胞示意图
2.细胞凋亡的电化学分析
细胞凋亡的失调与多种疾病密切相关，如阿兹海默症各种肿瘤艾滋病以及自身免疫病等。因此，细胞凋亡的检测不仅有助于提高病程判断的准确性，更可以作为治疗干预效果判断的早期标志。
在早期凋亡的细胞中，磷脂酰丝氨酸会从细胞质膜的内侧翻转到外侧，从而暴露在细胞外表面。因此，以Ca2+依赖性磷脂结合蛋白——膜联蛋白V作为探针特异性地识别细胞表面暴露的磷脂酰丝氨酸是细胞凋亡检测最常用的手段之一。Tong等通过电极表面的金纳米颗粒层将膜联蛋白V固定在电极表面。随后，表面暴露有大量磷脂酰丝氨酸的早期凋亡细胞通过和膜联蛋白V紧密结合固定在电极表面，阻碍了溶液中铁氰化钾分子与电极的电子传递，增加了电极表面的阻抗值。
3.肿瘤细胞表面多糖的电化学分析
细胞表面的糖类在癌症的发生和迁移过程中起着重要作用，常作为肿瘤细胞检测的靶位点。因此，对细胞表面糖类的电化学分析不仅有助于了解它们在疾病发展中的作用，更有助于肿瘤的早期诊断。如图2所示，Ding等利用电极表面的甘露糖基分子和肿瘤细胞表面的多糖竞争结合植物凝集素伴刀豆球蛋白A，提出了一种肿瘤细胞表面多糖分析的电化学方法。研究表明，由于表面富含甘露糖的白血病细胞K562与电极表面的甘露糖竞争结合溶液中量子点标记的Con A，结合到电极表面的Con A就会相对减少，因而降低了电化学信号响应。此方法可以检测到细胞浓度低至102cell/ml的肿瘤细胞，是高度灵敏的检测手段。
图2电化学分析细胞表面多糖的示意图
Copyright By © 2008~2024 武汉科思特仪器股份有限公司 版权所有 鄂ICP备07502907号-1
- 友情链接
