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多糖、凝集素、细胞及其相互作用的电化学与压电传感研究

谭亮  
【摘要】: 糖类、凝集素和细胞的研究是生命科学中的前沿领域。作为一种经典的检测手段,电化学分析已全面渗透到多个学科,在分析化学和生物化学研究中发挥着重要的作用。压电石英晶体传感器具有灵敏度高、操作简单和动态测量等优点,已成功应用于化学/生物等领域。本文利用电化学方法和压电传感技术研究了多糖、凝集素、细胞及其相互作用,具体工作如下: 1.利用循环伏安法研究了金电极表面肝素钠不存在/存在情况下亚甲基蓝的电化学性质。两者的结合能够形成非电活性的络合物,导致亚甲基蓝峰电流的明显降低。加入肝素钠前后亚甲基蓝阳极峰电流的差值与肝素钠的浓度在0.666-64.5μg mL~(-1)范围内成线性关系,检测限为270 ng mL~(-1)。采用该方法对肝素钠的针剂实际样品进行了检测,结果令人满意。实验求算出亚甲基蓝—肝素钠反应的结合常数K_a和结合比m分别为7.32×10~5 M~(-2)和1.85。利用压电石英晶体微天平(QCM)测量技术监测了Ba~(2+)取代亚甲基蓝而与肝素阴离子结合的动力学过程,该反应的反应速率常数为0.0022 s~(-1)。 2.采用两套方案分别考察了金电极表面凝集素伴刀豆球蛋白A(Con A)与糖原的相互结合作用。基于Con A与电极表面吸附的糖原反应过程的电化学压电石英晶体阻抗法(EPQCI)测量,同时获得了谐振频移Δf_0、动态电阻变化值ΔR1等压电石英晶体(PQC)参数和溶液电阻ΔRs、双电层电容ΔC_s等电化学阻抗(EI)参数。经计算结合常数K_a和结合位点数s分别为1.48×10~6 M~(-1)和4.09。基于糖原与组装于电极表面的Con A反应过程的PQC测量,计算出结合常数K_a为1.26×10~6 M~(-1)。另外,利用后者建立了一种测量糖原的新方法。 3.利用QCM传感技术实时监测了人乳腺癌细胞MCF-7在具有不同表面粗糙度(R_f,且R_f=3.2或1.1)的金电极上的贴壁、铺展和增殖过程。分析了QCM信号谐振频移Δf_0和动态电阻变化值ΔR_1的关系,结果表明,除了粘、密度效应和微弱的质量效应(特别是在光滑电极表面)外,细胞的粘附生长还会引起显著的表面应力效应。通过荧光显微镜观察实验、循环伏安检测和电化学阻抗谱测量考察了电极上细胞生长状态和电极表面粗糙度的关系。提出了基于QCM技术动态监测细胞培养过程中电极表面应力的新方法,利用推导出来的简单公式可以定量求算表面应力的大小。实验结果表明,相对于粗糙电极(R_f=3.2)而言,细胞在光滑电极(R_f=1.1)上的粘附产生的表面应力更大,而其生长却显劣势。QCM的实时监测还揭示了同一电极上在贴壁阶段正常肝细胞相比肝癌细胞能产生更大的表面应力,这表明表面应力的测量能够反映出正常肝细胞和肝癌细胞贴壁行为的差异性。 4.实时监测了人正常肝细胞L-02在QCM金电极表面的凝集过程。两种植物凝集素—Con A和麦胚凝集素(WGA)均能引起细胞的凝集,凝集过程表达的Δf_0与ΔR_1信号与细胞正常贴壁生长过程表达的QCM响应有明显差异。由于Con A良好的吸附性,细胞-Con A-细胞凝集体对金基底的吸附能力较强,表现为Δf_0与ΔR_1信号的增大和明显的QCM质量效应。与此相反,由于WGA不易吸附在金电极表面,细胞-WGA-细胞凝集体对金基底的吸附能力较差,表现为Δf_0与ΔR_1信号的减小和细胞贴壁阶段时间的延长。开展了显微镜平行观察实验,反映的信息与QCM的测量结果完全一致。对细胞生长和细胞凝集过程中的Δf_0信号进行了分析,结果可分别由两个动力学方程表示:。另外,实验还表明基于细胞凝集的QCM测量技术可以用来区分正常肝细胞L-02和肝癌细胞Bel7402。 5.基于亚硒酸的还原,使用海藻酸钠作为模板合成了硒钠米粒子(Se NPs)。利用QCM测量技术实时监测了药物诱导人肝癌细胞Bel7402的凋亡过程。研究了阿霉素和硒纳米粒子联用的抗肿瘤效果。实验表明,两种药物均能抑制Bel7402细胞的增殖,随药物剂量的增大抑制效率增强,两药联用对细胞的抑制效率要高于单个药物的抑制效率。基于Δf_0信号,使用修正后的Bürgi公式(即金氏公式)考察了两药联用的细胞毒性效果。随着药物作用时间的延长,联用效果逐渐由明显协同效应转变为单独相加,而较低浓度药物联用的效果24小时后依然能够保持协同效应,显示其在癌症治疗方面具有潜在的应用价值。


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