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仿生嗅觉细胞及受体传感器的研究

吴春生  
【摘要】: 生物嗅觉系统可以分辨和识别成千上万种不同的气味分子,具有很高的灵敏度和特异性。随着嗅觉机理研究的不断深入以及现代生物医学传感技术的不断进步,人们模仿嗅觉感知气味的机理,以生物活性材料作为敏感元件,耦合各种二级换能器,构建了多种仿生嗅觉传感器。由于引入了嗅觉受体神经元、天然或异源表达的嗅觉受体蛋白等生物活性材料作为敏感元件,仿生嗅觉传感器获得了部分生物嗅觉系统具有的优点,比如灵敏度高、检测限低、选择性好等,可以广泛应用于生物医学、环境监测、药物开发、食品和水质控制等诸多领域,具有广阔的应用前景以及商业开发潜力。 目前,仿生嗅觉传感器的研究在生物、电子、信息、材料等多种学科和技术进步的推动下取得了较快进展,并展现出很大的发展潜力。但是,该研究也面临许多困难,比如如何获得嗅觉相关生物活性材料并验证其功能,如何高通量、多参数、实时地监测生物活性材料对特异刺激的响应,以及如何进一步提高传感器的灵敏度和特异性以拓展其实际应用的领域。基于此,本论文在细胞和分子水平上构建新型仿生嗅觉传感器,并对传感器的性能及其在生物医学中的应用进行了较深入的研究。首先,在细胞水平上,以嗅觉受体神经元(olfactory sensory neurons, OSNs)作为敏感元件,以光寻址电位传感器(light-addressable potentiometric sensor, LAPS)作为二级传感器,构建了一种可用于嗅觉传导机理研究的单细胞传感器。其次,在分子水平上,采用基因工程的方法把线虫嗅觉受体蛋白ODR-10表达于异源细胞系-人胚胎肾(HEK-293)细胞的质膜上,以质量敏感型器件石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)鉴定嗅觉受体蛋白识别气味的功能。为了获得可以稳定表达嗅觉受体蛋白ODR-10的细胞系,本文对ODR-10在人乳腺癌细胞MCF-7的表达做了初步研究,并以含有异源表达的嗅觉受体蛋白ODR-10的细胞质膜作为敏感元件,声表面波(surface acoustic wave, SAW)器件作为二级传感器,构建了基于嗅觉受体的新型气敏生物传感器。最后结合现代微型化技术,对生物微机电系统以及微流控芯片在构建仿生嗅觉传感器方面的应用做了一些初步探讨。 本论文的主要内容和贡献在于: 1.在LAPS单细胞传感器的基础上,把嗅觉信号在嗅觉受体神经元内的传导机理应用于仿生嗅觉传感器的研究,利用MDL12330A对嗅觉信号胞内传导通路的抑制作用,证实LAPS芯片记录到的电信号来源于与其表面耦合的嗅觉受体神经元对气味刺激的响应,同时也提示这种仿生嗅觉传感器可以应用于嗅觉信号传导机理的研究。 2.提出一种利用增强剂提高基于嗅觉受体神经元的LAPS单细胞传感器灵敏度的方法。利用LY294002对嗅觉信号传导通路的增强效应,提高嗅觉受体神经元对特异刺激的响应,进而提高传感器的灵敏度。实验结果表明,利用LY294002的增强效应,可以将LAPS单细胞传感器的灵敏度提高约1.5倍,并且提示这种方法也可以应用到其它基于细胞膜电位监测的仿生嗅觉传感器中,比如基于场效应晶体管(field effect transistor, FET)、微电极阵列(microelectrode array, MEA)的仿生嗅觉传感器。 3.利用基因工程技术,把线虫嗅觉受体蛋白ODR-10功能性表达于异源细胞系统-人胚胎肾细胞HEK-293细胞的质膜上,分析ODR-10在异源细胞系统中的表达情况及其亚细胞定位,并用QCM器件鉴定其识别特异气味的功能。结果表明这种异源表达的嗅觉受体蛋白ODR-10仍然具有特异性识别其天然配体丁二酮的功能,适合作为敏感元件用于构建基于嗅觉受体的仿生嗅觉传感器。 4.获得可以稳定表达线虫嗅觉受体蛋白ODR-10的MCF-7细胞系,利用测定胞内钙离子浓度的方法证实其识别气味的功能,并以含有ODR-10的细胞质膜作为敏感元件,SAW器件作为二级传感器构建基于SAW器件的气敏传感器。结果表明这种由嗅觉受体蛋白和SAW器件构成的复合系统可以有效监测嗅觉受体与气味分子的相互作用,实现传感器对特异性气味刺激的检测。


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