原子力显微镜在细胞与生物大分子超微结构和力学研究中的应用

作为微纳米科学理论与技术迅猛发展的代表,原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)在其25年的发展过程中极大地推进了生物学在微纳米尺度上的拓展,为微纳米生物学的诞生与发展提供了重要技术手段。本文在介绍AFM基本原理和检测模式的基础上,结合作者在该领域的研究成果和工作经验,从生物结构与形态学研究、表面物化性质表征、生物大分子的力学操纵三方面综述了AFM在细胞与生物大分子超微结构与生物力学特性研究中的具体应用,并重点探讨了AFM在细胞与生物大分子科学研究中亟待改进和解决的科学与技术问题,提出了一些探讨性的见解和建议。     

基于原子力显微镜技术研究不同激活态下肌节超微结构与压弹性

目的搭建研究不同激活态下昆虫飞行肌纤维的超微结构与力学特性的系统,并以此开展近生理环境下的心肌生物力学研究,进而推动对心肌结构、力学特征和生理功能间关系的认识,为心肌病的基础研究和临床治疗提供更多的线索。方法采用轻敲模式的原子力显微镜技术研究僵直态、松弛态和活化态下昆虫飞行肌肌原纤维的超微精细结构;采用纳米压痕技术研究不同生理状态下肌纤维的定点弹性特性。结果肌原纤维在僵直态、松弛态和3种活化态的肌节长度分别为:(2.10±0.05)(、3.10±0.10)(、2.50±0.15)μm(2 mmol/L Ca2+)(,2.60±0.25)μm(5 mmol/L Ca2+)和(2.55±0.15)μm(10 mmol/L Ca2+),A带长度始终保持在1.50μm左右,而I带的长度则有较大的变化(0.7～1.6μm);力学实验发现,在同一生理状态,肌原纤维的弹性参数的大小满足Z线>M线>重叠区>I带;在不同活化状态下,钙离子浓度变化对Z线、M线和I带的压弹性影响的程度很接近。结论 5 mmol/L的Ca2+浓度是合适的肌纤维活化浓度,肌节长度的分布符合肌动蛋白与肌球蛋白在重叠区相对滑移的力学和空间结构模型;AFM是肌纤维超微结构与力学特性高分辨研究的潜力工具。     

二醇组人参皂苷的红外和拉曼光谱比较研究

目的:应用红外和拉曼光谱研究人参皂苷.方法:对二醇组7种人参皂苷(Rb1、Rb2、Rb3、Rc、Rd、Rg3、Rh2)进行了红外和拉曼光谱的测定.结果:二醇组的拉曼光谱的谱图接近一致,差别极其微小,而在红外光谱中却有些明显的不同.结论:应用红外光谱测定人参皂苷,能够揭示更多的有关其结构鉴别方面的信息.     

乳酸/羟基乙酸共聚物分子量对艾塞那肽微球性质的影响

目的:制备艾塞那肽一乳酸/羟基乙酸共聚物(PLGA)微球,并研究PLGA分子量对微球性质的影响.方法:选用不同分子量的PLGA,采用复乳法制备艾塞那肽PLGA微球;对微球的粒径、载药量、包封率和体外释放等指标进行测定.结果:PLGA分子量对艾塞那肽PLGA微球的性质有明显影响.结论:可通过调节PLGA分子量调控微球的性质.     

外泌体的产生及其生物学作用的研究进展

外泌体于1983年首次被发现,是由于细胞膜内吞形成内体,内体限制膜发生多处凹陷,向内出芽形成微囊泡,从而形成的具有动态亚细胞结构的多囊泡体。大多数类型的细胞均可分泌外泌体。构成外泌体的主要成分为蛋白质、核酸和脂质。外泌体有多种分泌途径,对细胞间通信、疾病的传播及组织修复具有重要的调节作用。外泌体与受体细胞的结合方式多种多样,外泌体可以将膜蛋白或其内容物转移至受体细胞,也可以直接与受体细胞膜融合;此外,外泌体上的跨膜蛋白还可以直接作用于受体细胞膜表面的信号分子。外泌体广泛存在于生物体的免疫应答反应中,外泌体可以通过介导促炎症反应来促进免疫反应,肿瘤细胞分泌的外泌体还可以抑制免疫反应。肿瘤细胞分泌的外泌体可以促进癌症的侵袭和转移,加快癌症部位的血管生成,有助于肿瘤微环境中的上皮间充质转化,并且增强肿瘤的耐药性。外泌体通过与受体细胞特异性结合的方式,传递各种生物学信息,发挥重要的生物学作用。本文分别就外泌体的产生机制、分离与鉴定、其对机体免疫过程和疾病的发生发展的作用等方面的研究进展进行综述。     

锌掺杂碳点联合蓝光照射对金黄色葡萄球菌生长及其生物膜形成的抑制作用

目的：通过水热法合成锌掺杂碳点（CDs）,观察锌掺杂CDs联合蓝光对金黄色葡萄球菌及其生物膜形成的抑制作用,并初步探讨相关机制。方法：采用水热法合成锌掺杂CDs,采用透射电子显微镜（TEM）、荧光光谱和傅立叶红外光谱仪（FT-IR）观察其表征。实验分为空白对照组、单独CDs溶液组、单独蓝光照射组和CDs+蓝光照射组。单独CDs溶液组细胞采用不同浓度（50、75和100 mg·L^-1） CDs溶液处理,单独蓝光照射组采用蓝光照射10、20和40 min,CDs+蓝光照射组采用上述浓度CDs溶液处理后,按上述时间进行蓝光照射,空白对照组仅采用培养基处理后避光培养。CCK-8法检测各组L929和MC3T3-E1细胞增殖率。选取抑菌效果最佳组（100mg·L^-1 CDs组）采用N-乙酰半胱氨酸（NAC）处理清除活性氧,实验分为对照组、100mg·L^-1 CDs组、0.5mmol·L^-1 NAC组和0.5mmol·L^-1NAC +100mg·L^-1 CDs组,采用分光光度法测定各组菌液浓度,采用结晶紫法检测各组金黄色葡萄球菌生物膜形成量,采用平板菌落计数法记录各组菌落数。结果：TEM检测,成功合成粒径约1.8 nm的锌掺杂CDs。荧光光谱检测,CDs最佳激发波长为342 nm,最佳发射波长为440 nm,且具有激发依赖性。FT-IR检测,CDs具有羟基、羧基和氨基等官能团。CCK-8法检测,共培养24 h时,100 mg·L^-1 CDs组L929和MC3T3-E1细胞增殖率均达80％。光照20和40 min时,与空白对照组比较,单独蓝光照射组菌液浓度降低（P<0.05或P<0.01）,光照40 min时金黄色葡萄球菌生物膜形成量减少（P<0.01）。光照10 min时,与单独蓝光照射组比较,CDs+蓝光照射组菌液浓度和生物膜形成量均降低（P<0.01）;与100mg·L^-1 CDs组比较,0.5mmol·L^-1NAC+100mg·L^-1 CDs组菌液浓度和生物膜形成量明显增加（P<0.01）。结论：锌掺杂CDs联合蓝光后通过光催化作用能有效抑制金黄色葡萄球菌的生长和生物膜形成。     

荷叶碱在大鼠体内的绝对生物利用度研究

目的研究荷叶碱在大鼠体内的药动学特征及其绝对生物利用度。方法SD大鼠分别静脉注射（5 mg·kg^-1）和口服（20 mg·kg^-1）荷叶碱,给药后不同时间点取血,分离血浆,LC-MS/MS法测定血浆中荷叶碱的药物浓度,用DAS软件处理数据并计算药动学参数,求其绝对生物利用度。结果静脉注射荷叶碱的药动学参数：AUC（0-∞）为（1 118.24±420.90）ng·h·mL^-1,Cmax为（1 213.17±359.29）ng·mL^-1,t1/2为（1.30±0.69）h;口服荷叶碱的药动学参数：AUC（0-∞）为（3 111.34±1 986.29）ng·h·mL^-1,Cmax为（1 257.50±942.37）ng·mL^-1,t1/2为（4.89±2.88）h,tmax为（0.33±0.18）h;剂量归一法计算得荷叶碱在大鼠体内的绝对生物利用度为69.56%。结论该方法专属性强,灵敏度高,可用于荷叶碱的体内定量分析。     

硫酸钙／骨基质明胶在修复兔尺骨骨缺损中的实验研究

目的探讨硫酸钙／骨基质明胶可降解复合人工材料用于兔尺骨骨缺损的修复效果。方法选取已建立尺骨缺损模型家兔30只,采用随机数字表法将其分为3组,即空白对照组、单纯硫酸钙组及硫酸钙／骨基质明胶组,比较3组家兔术后12周骨痂形成率、骨性修复率及双轨征出现率、骨缺损修复X线片评分、尺骨扭转强度等。结果硫酸钙／骨基质明胶组骨痂形成率为93．33％、骨性修复率为86．67％、双轨征出现率为93．33％、骨缺损修复x线片评分（11．85±2．14）分、尺桡骨扭转强度（0．87±0．13）N×M,5项均明显高于单纯硫酸钙组和空白对照组,差异有统计学意义（P〈0．05）。结论硫酸钙／骨基质明胶可降解复合人工材料,用于兔尺骨骨缺损修复效果显著,可有效促进骨痂形成及骨结构修复。     

纳米微粒跨细胞膜转运途径及机制的研究进展

纳米材料通过有效转运药物、生物分子或显像剂到病变部位的靶细胞,实现疾病的诊断和治疗。这种应用于诊断和治疗的纳米材料,通常需要进入细胞的特定部位,将其负载物转运至亚细胞中。目前普遍认为纳米微粒主要是通过胞吞作用入胞,根据形成囊泡大小或内容成分的不同可将胞吞作用分为吞噬作用和胞饮作用。纳米微粒的尺寸、形状、化学组成、表面电荷等理化性质对其入胞途径均有影响;此外,对于同一纳米微粒,所选细胞系不同时,其入胞途径也不相同。通过研究纳米微粒与细胞间的相互作用了解其转运机制,对于提高转运效率将产生重大帮助。本综述以纳米微粒跨细胞膜转运途径为基础,着重介绍了纳米载体跨细胞膜转运的机制,包括纳米载体如何进入细胞及不同途径的特点,影响纳米材料进入细胞的因素,以及提高转运效率的方法等方面的进展。     

介孔硅纳米微粒共转运阿霉素和shRNA对耐药口腔鳞癌细胞株的作用

目的:考察介孔二氧化硅纳米微粒(mesoporous silica nanoparticle,MSNP)共转运体系逆转肿瘤多药耐药、杀伤肿瘤细胞的效果,证实阿霉素(doxorubicin,DOX)与MDR1sh RNA共同应用具有协同抗肿瘤作用。方法:首先采用溶胶-凝胶法制备MSNP,通过表面修饰阳离子聚合物聚乙烯亚胺(polyethylenimine,PEI)使其带有正电荷,能够与带负电的MDR1sh RNA相结合,同时将抗肿瘤药物DOX吸附于介孔内部,形成载药、载基因的共转运体系。体外采用紫外可见光分光光度法测定载药量;通过MTT法测定DOX对口腔鳞癌细胞株KB及耐药株KBV的半抑制浓度IC50;使用荧光显微镜、流式细胞仪测定转染效率;应用Real-Time PCR技术检测MDR1基因的表达水平;Annexin V-FITC/7-AAD双染法经流式细胞仪检测细胞凋亡情况。结果 :纳米粒度仪、透射电镜测得所合成的MSNP尺寸为100~200 nm,表面介孔直径约3~5 nm,分散性较好,尺寸较均一;紫外分光光度计法测得IC50(KB-DOX)=182.9 ng/m L、IC50(KBV-DOX)=9 233.5 ng/m L,计算耐药株KBV的耐药倍数为50.483 871倍;荧光显微镜、流式细胞仪测得转染效率为6.73%;Real-Time PCR结果显示:与单纯载药、载基因组相比,双载组MDR1基因的表达水平显著下调;Annexin V-FITC/7-AAD双染法经流式细胞仪测得单纯载药、单纯载基因组细胞凋亡率分别为12.74%、10.08%,而双载组细胞凋亡率增加到25.68%。结论:介孔二氧化硅纳米微粒共转运体系能够有效逆转肿瘤多药耐药,与单纯载药、载基因组相比,同时应用DOX与MDR1sh RNA具有协同抗肿瘤作用。