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            島津企業(yè)管理(中國)有限公司

            島津原子力顯微鏡在生物學(xué)及生命科學(xué)中的應(yīng)用

            時(shí)間:2024-9-18 閱讀:101
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            在生物學(xué)及生命科學(xué)研究中,各種顯微鏡是不可少的工具。列文虎克發(fā)明的簡單顯微鏡推開了人類對微生物觀察的大門,顯微學(xué)的發(fā)展隨著顯微工具的進(jìn)步而深入。光學(xué)顯微鏡利用激光共聚焦技術(shù)將分辨率逼近了可見光波長的一半,電子顯微鏡進(jìn)一步將其提高到納米級別。但是對于生物學(xué)和生命科學(xué)而言,二者都無法完全滿足應(yīng)用需求。對于細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)和生物大分子,光學(xué)顯微鏡的分辨率不足;而電子顯微鏡雖然有效提高了觀察能力,但嚴(yán)格要求真空環(huán)境,無法在細(xì)胞及生物大分子的活性狀態(tài)(液體環(huán)境)中使用。

            原子力顯微鏡的問世,成功解決了在高分辨率與液體環(huán)境觀測之間難以兼得的難題。作為一種三維形貌觀察工具,原子力顯微鏡不僅具備超高分辨率,而且支持在液體環(huán)境下工作,是一種理想的生命科學(xué)/醫(yī)學(xué)觀測設(shè)備。除了形貌觀察外,原子力顯微鏡還可以對多種表面屬性進(jìn)行定量觀測。例如,基于力學(xué)測試的表面機(jī)械性能測試。這些性能為原子力顯微鏡應(yīng)用于細(xì)胞和生物分子研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

             

            1細(xì)胞學(xué)研究

            利用原子力顯微鏡進(jìn)行活細(xì)胞觀察,得到的是貼壁細(xì)胞的真實(shí)形貌。相對于光學(xué)顯微鏡僅能得到投影面積,原子力顯微鏡可獲得細(xì)胞表面積和體積數(shù)值,這兩個(gè)數(shù)值更能反應(yīng)細(xì)胞的生長發(fā)育階段,有利于判斷其活性狀態(tài)。

             

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            2007年發(fā)明的誘導(dǎo)式多能性干細(xì)胞(iPS)技術(shù)有效排除了實(shí)驗(yàn)的倫理風(fēng)險(xiǎn),是非常有潛力的干細(xì)胞技術(shù)。iPS轉(zhuǎn)化過程中,會有一定的幾率發(fā)展為癌細(xì)胞。不同體細(xì)胞來源的iPS細(xì)胞成瘤性有差異。可以使用原子力顯微鏡對未分化的iPS細(xì)胞和HeLa細(xì)胞進(jìn)行觀察比較,有效分析細(xì)胞狀態(tài)。HeLa細(xì)胞是一種被廣泛使用的癌變細(xì)胞,因此可以和iPS細(xì)胞進(jìn)行對比觀察。

             

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            上圖顯示了SPM形狀圖像(a)HeLa細(xì)胞和(b)iPS細(xì)胞。用光學(xué)顯微鏡觀察到的相應(yīng)相位差圖像分別顯示在(c)和(d)中。圖中箭頭所示位置處的截面形狀輪廓如(e)和(f)所示。

             

            從細(xì)胞形態(tài)上來看,HeLa細(xì)胞呈圓頂形,表面隆起比較高,約7um;而iPS細(xì)胞呈扁平狀且細(xì)胞間粘附呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),細(xì)胞高約1.7um。仔細(xì)觀察細(xì)胞之間的邊界,可以看出HeLa細(xì)胞之間的邊界呈凹陷狀,而iPS細(xì)胞之間的邊界是凸起的,而且呈網(wǎng)絡(luò)狀。據(jù)此可分析得知這兩種細(xì)胞各自的間粘附具有差異,且HeLa細(xì)胞之間的粘附較弱,而iPS細(xì)胞之間的粘附較強(qiáng)。

            除了形貌觀察外,原子力顯微鏡還可以通過力學(xué)測量獲得細(xì)胞表面的機(jī)械性能。使用彈簧常數(shù)為0.15N/m的OMCL-TR800PSA探針,在培養(yǎng)液環(huán)境中對活細(xì)胞進(jìn)行測試。對細(xì)胞的最終壓力(排斥力)為2.5nN。通過比較從探針與樣品接觸的位置到達(dá)到2.5nN的力的變化,確定樣品的硬度。

             

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            (a)和(b)顯示了SPM觀察到的HeLa和iPS細(xì)胞的細(xì)胞形狀圖像,(c)和(d)顯示了相應(yīng)的ZX斷面圖像,是從樣品截面方向看時(shí)在(a)和(b)中箭頭所示的X線位置處施加到探針的力的圖像。圖中上方為測量起點(diǎn),下方白色虛線為壓觸終點(diǎn),顯示了樣品截面形狀輪廓。

             

            在ZX圖像中,探針與樣品接觸后檢測到力的位置以黃色到紅色的顏色顯示。因?yàn)檫@表明探針對細(xì)胞的變形,所以可以理解較大量的細(xì)胞變形顯示細(xì)胞的較軟部分??梢詮募?xì)胞變形量了解硬度。(c)中的HeLa細(xì)胞顯示出均勻的變形,但相比之下,在(d)中的iPS細(xì)胞中,細(xì)胞體較軟,細(xì)胞間粘附區(qū)較硬。

            分析結(jié)果表明,HeLa細(xì)胞表面硬度比較均勻,軟硬部分差別不大,而iPS細(xì)胞主體較軟,細(xì)胞間粘附區(qū)較硬。

             

            2生物大分子的高分辨觀察

            生物大分子一般尺度在幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米之間,原子力顯微鏡在這個(gè)范圍的納米分辨能力也是非常適合的。例如DNA是經(jīng)常會被觀測的一種樣品,使用基于調(diào)幅的輕敲/動態(tài)模式,一般只能看清鏈狀結(jié)構(gòu)。

             

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            液體環(huán)境下輕敲模式掃描DNA鏈

             

            這種模式受懸臂梁振動質(zhì)量因子(Q值)的影響非常大,在液體環(huán)境中,因?yàn)橐后w對懸臂梁的粘滯阻力,導(dǎo)致Q值急劇降低,從而使分辨率變差。而調(diào)頻模式受此影響較小,可以對緩沖溶液或者培養(yǎng)液環(huán)境下的生物大分子進(jìn)行超高分辨的觀測,獲得接觸模式或者輕敲模式無法達(dá)到的超高分辨率。

            同樣是觀察DNA雙螺旋鏈,使用調(diào)頻模式,可以清晰地分辨雙螺旋結(jié)構(gòu),雙螺旋結(jié)構(gòu)形成的大溝小溝結(jié)構(gòu)也非常明顯。

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            更細(xì)致地觀察一個(gè)螺距,還可以分辨表面的堿基數(shù)目。

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            對相鄰兩個(gè)螺旋的剖面圖進(jìn)行分析,觀察到的堿基數(shù)量與理論值完全符合。這說明調(diào)頻模式在液體環(huán)境中,對柔軟的生物樣品觀察,依然可以達(dá)到基團(tuán)級別的分辨率。

             

            3生物醫(yī)藥應(yīng)用

            生命科學(xué)的快速發(fā)展直接推動了生物醫(yī)藥領(lǐng)域的進(jìn)步,諸多科研成果轉(zhuǎn)化為治療疾病的有效手段。

            和微泡是醫(yī)學(xué)和免疫學(xué)的前沿研究熱點(diǎn)。然而,對于它們的三維形態(tài)和膜的物理性質(zhì)還有許多方面的認(rèn)識尚不清楚。外泌體因?yàn)?/span>其單層膜的性質(zhì),所以非常軟,對使用原子力顯微鏡測試提出了極高的要求。

             

            卡通人物

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            以上兩幅圖就是在生理鹽水環(huán)境中不同尺寸的外體,其外徑從20nm到140nm不等,表面極其柔軟,楊氏模量一般只有幾千Pa。

            脂質(zhì)體包裹藥物是藥物輸運(yùn)系統(tǒng)(DDS)的一個(gè)重要分支。利用不同的包裹分子,可以實(shí)現(xiàn)藥物的定點(diǎn)投送,有利于提高受體結(jié)合特異性和減少用藥濃度。

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            利用原子力顯微鏡可以在液體環(huán)境中對包裹體小球形態(tài)進(jìn)行觀察。

            圖示

描述已自動生成 

             

            此外,作為精密的力檢測工具,還可以利用原子力顯微鏡對包裹體顆粒與液體的固液界面進(jìn)行觀測,獲得界面處力梯度分布。這項(xiàng)研究有利于分析不同的包裹分子在液體環(huán)境中的自體維持能力和特異位點(diǎn)親和能力,因此是一種很有效的分析工具。

            作為可以兼顧高分辨率和液體環(huán)境的微納米分析工具,原子力顯微鏡具備天然的生物學(xué)和生命科學(xué)適用性。隨著其技術(shù)的不斷迭代發(fā)展,已經(jīng)深入地滲透到了生命科學(xué)/醫(yī)學(xué)的研究與實(shí)驗(yàn)中。尤其是如生物醫(yī)學(xué)工程、仿生學(xué)等一些交叉學(xué)科的高速發(fā)展,相信原子力顯微鏡在此領(lǐng)域必有更深入的應(yīng)用。


            圖示

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