非損傷微測技術(shù)及其在細(xì)胞生物學(xué)研究中的應(yīng)用——（1）技術(shù)簡介

非損傷微測技術(shù)及其在細(xì)胞生物學(xué)研究中的應(yīng)用

——（1）技術(shù)簡介

作者：旭月（北京）科技有限公司 美國揚(yáng)格非損傷技術(shù)中心

聯(lián)系人：宋瑾，，010-82622628（電話），010-82622629（傳真）

 

摘要：非損傷微測技術(shù)是一種選擇性微電極技術(shù)，可以不損傷樣品而獲得進(jìn)出樣品的離子和分子信息，具有非損傷性，長時(shí)間、多電極、多角度測量等優(yōu)勢。本文介紹非損傷微測技術(shù)原理和技術(shù)特點(diǎn)及其在細(xì)胞生命科學(xué)不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：非損傷微測技術(shù)，離子和分子選擇性微電極，活細(xì)胞測量

非損傷微測技術(shù)（Non-invasive Micro-test Technique, NMT）或稱無損微測技術(shù)，是一種選擇性離子和分子檢測技術(shù)，誕生于1990年 ^[1]。非損傷微測技術(shù)因其獨(dú)有的測量方式逐漸應(yīng)用到生命科學(xué)的諸多領(lǐng)域。

1. 非損傷微測技術(shù)簡介

非損傷微測技術(shù)是由電腦自動控制離子和分子選擇性微電極，在不接觸活體樣品的情況下，獲得進(jìn)出樣品的各種離子和分子濃度、流速及其三維運(yùn)動方向的信息。圖1展示了一套完整的非損傷微測系統(tǒng)。

目前，非損傷微測技術(shù)可以測量H⁺，Ca²⁺，K⁺，NH₄⁺，Al³⁺，Na⁺，Cd²⁺，NO₃^-，Cl^-及O₂，CO₂，NO，氨基酸等五十多種離子和分子，為獲得生物樣品離子和分子信息提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺^[2，3]。被測樣品可以是單細(xì)胞、細(xì)胞層、組織、器官甚至整個(gè)生物體。測量方便、快捷、三維和實(shí)時(shí)，對樣品不會產(chǎn)生任何傷害，從而獲得其他技術(shù)難以測到的生理特征和生命活動規(guī)律，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域方面產(chǎn)生前所未有的重大突破。

非損傷微測技術(shù)具有非損傷性，長時(shí)間、多電極、多角度測量等優(yōu)勢。值得一提的是，非損傷微測技術(shù)是目前世界上惟一能夠按照研究人員的設(shè)定，以手動或編程的方式，從任意角度（相對于樣品表面）對樣品進(jìn)行測量的系統(tǒng)。

2. 非損傷微測技術(shù)原理

圖2是離子選擇性電極工作原理示意圖。離子選擇性電極由玻璃微電極、Ag/AgCl導(dǎo)線、電解質(zhì)及液態(tài)離子交換劑(liquid ion exchanger，LIX)四部分組成。該電極在待測離子濃度梯度中以已知距離dx進(jìn)行兩點(diǎn)測量，并分別獲得電壓V₁和V₂。兩點(diǎn)間的濃度差dc則可以從V₁，V₂及已知的該電極的電壓/濃度校正曲線計(jì)算獲得。D是離子/分子特異的擴(kuò)散常數(shù)(單位:cm^-2·sec^-1)，將它們代入Fick第一擴(kuò)散定律公式：J_o = - D· dc/dx，可獲得該離子的移動速率(單位：pmol·cm^-2·sec^-1)，即每秒通過一平方厘米的該離子/分子摩爾數(shù)。

3. 非損傷微測技術(shù)的應(yīng)用

   非損傷微測技術(shù)能在細(xì)胞和組織水平上的功能鑒定方面以及跨膜生物信息傳遞機(jī)制等方面發(fā)揮重要的作用^[3]。例如，葡萄牙里斯本大學(xué)Feijo實(shí)驗(yàn)室^[4]使用激光共聚焦顯微鏡測細(xì)胞內(nèi)Ca²⁺的同時(shí)利用非損傷微側(cè)技術(shù)測量外部的Ca²⁺。由圖可以看到，當(dāng)融合開始時(shí)，非損傷微測技術(shù)測得一個(gè)明顯的Ca²⁺內(nèi)流，直接驗(yàn)證了胞內(nèi)Ca²⁺的增加主要是由于吸收胞外Ca²⁺而非內(nèi)源鈣釋放引起。因此，非損傷微測技術(shù)在直接獲得細(xì)胞或組織外部離子和分子信息方面，具有明顯的優(yōu)勢。

 圖3 使用激光共聚焦顯微鏡測細(xì)胞內(nèi)Ca²⁺的同時(shí)利用非損傷微側(cè)技術(shù)測量外部的Ca²⁺

  目前在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用非損傷微測技術(shù)的部分機(jī)構(gòu)有：美國麻省州立大學(xué)，美國肯薩斯州立大學(xué)，加拿大Montreal大學(xué)，加拿大McMASTER大學(xué)，葡萄牙里斯本大學(xué)，德國慕尼黑大學(xué)，澳大利亞悉尼大學(xué)，新西蘭農(nóng)業(yè)草地（研究所），中科院植物所，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，北京大學(xué)生科院，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，廣東暨南大學(xué)醫(yī)學(xué)院等。

    非損傷微測技術(shù)在可興奮細(xì)胞、細(xì)胞凋亡、上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞研究及神經(jīng)系統(tǒng)、胚胎發(fā)育、新陳代謝、毒理學(xué)、腫瘤研究等領(lǐng)域具體應(yīng)用實(shí)例將在隨后五期里分別介紹。

參考文獻(xiàn)

[1] Kuhtreiber W M, Jaffe L F. Detection of extracellular calcium gradients with a calcium-specific vibrating electrode. J Cell Biol. 1990,110(5):1565-1573.

[2] 印莉萍, 上官宇, 許越. 非損傷性掃描離子選擇電極技術(shù)及其在高等植物研究中的應(yīng)用. 自然科學(xué)進(jìn)展. 2006, 16(3):262-266.

[3]丁亞男,許越.非損傷微測技術(shù)及其在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用.物理. 2007, 36(7): 548-558.

[4] , , , . Differential contribution of cytoplasmic Ca²⁺ and Ca²⁺ influx to gamete fusion and egg activation in maize. . 2001, 3(12): 1120-1123.