结合AFM探测副伤寒沙门氏菌B感染红细胞膜的生物力学特性

采用原子力显微镜和衍射显微术,在纳米精确尺度探测副伤寒沙门氏菌B(Sp B)感染宿主红细胞(RBC)膜微观结构和力学特性,涉及细胞的形变、膜面内剪切模量和弯曲模量.结合这两种单分子测量技术,利用相关的数学模型表述RBC膜对菌体Sp B的入侵非常敏感.实验结果显示,不同感染期间的Sp B寄生菌体,能够引起宿主RBC膜结构改变,形变能力降低,膜剪切模量和弯曲模量显著增加.这些力学特性的变化影响RBC的输氧和循环功能.实验结果表明,Sp B具有独特的鞭毛调控系统,入侵的毒性菌体寄生蛋白与血影蛋白网络中的运输蛋白有特异结合位点,导致RBC膜骨架网络、波动力学和细胞内、外基质都产生应激反应,这有可能为理解Sp B感染RBC的发病机理和寄生途径提供一些新的实验思路和分析依据.     

AFM探测缺铁性贫血病人的红细胞

在纳米量级上探测红细胞生理病理特性对于揭示疾病的起源、早期诊断和有效的治疗是十分重要的。疾病可以从分子水平上扰乱红细胞的形貌和功能。缺铁性贫血病人的红细胞的形貌具有严重的表面畸形。通过高分辨率的原子力显微镜成像研究了健康人和缺铁性贫血病人红细胞的整个形貌和表面膜的差异。结果表明,红细胞的形貌参数（例如细胞的峰、谷、峰谷差、表面起伏和标准方差）可以探测健康和病理的红细胞。因此,红细胞的形貌信息可望成为诊断健康和疾病,以及评估治疗效果的重要指标。     

基于多参数成像AFM的细胞及分子力学特性探测研究进展

原子力显微镜(AFM)的发明为微纳尺度下高分辨率探测天然状态生物样本的物理特性提供了强大工具,是对传统生化特性检测方法的有力补充.近年来,多参数成像模式AFM的出现使得人们不仅可以获取生物样本表面形貌特征,还能同时获取生物样本多种力学特性图(如杨氏模量、黏附力、形变等),为研究生物结构、力学特性及其生理功能之间的关联提供了新的技术手段.多参数成像AFM的生物医学应用研究为细胞/分子生理活动及相关疾病内在机理带来了大量新的认识.本文结合作者在AFM细胞探测方面的研究工作,介绍了多参数成像AFM工作原理,总结了多参数成像AFM在细胞及分子力学特性探测方面的研究进展,并对其存在的问题进行了讨论和展望.     

结合微针及AFM的单细胞精准激励与力学特性同步测量

目的 细胞力学特性与细胞生理病理变化过程及机体健康状态密切相关,研究细胞力学特性对于揭示生命活动内在机制具有重要科学意义.原子力显微镜(AFM)的出现为单细胞研究提供了新的技术手段,它不仅可以在溶液环境下对单个活细胞的形貌结构进行高分辨率成像,还能够对细胞力学特性进行定量测量.基于AFM的单细胞力学特性研究在过去数十年...     

红细胞膜弹性特性的AFM力曲线测量

人血红细胞生存环境的微小变化都会直接影响到膜骨架蛋白网络形变和细胞膜弹性力学性能的改变。利用原子力显微镜力曲线测量红细胞膜表面弹性,根据相关力。距离曲线图谱信息,分析活性红细胞在不同生理溶液环境中细胞膜弹性、黏附性与渗透脆性等变化特征。实验结果表明,经不同生理溶液制备的红细胞在维持其渗透压平衡条件下,细胞形态特征基本正常,直径约7-8μm。当力曲线图谱表征的膜弹性等力学特性,波动较大且差异明显时,形变恢复作用力变化范围为30-150pN,黏附力变化范围为3.9-35nN。尤其是在探针接近和撤离膜表面过程中,不同程度的多峰锯齿波、压痕深度、黏滞拖拽线程和链状伸展形式的相关力曲线图谱,表征细胞膜表面存在着复杂作用力。在无Ca^2＋／Mg^2＋的D-PBS缓冲液中,通过调节Na^＋,K^＋浓度,改变生理溶液渗透压,红细胞形变显著,出现棘轮状、球形和血影空囊等形态,对应的细胞膜弹性等力曲线图谱信息也相对更为复杂。研究表明红细胞膜弹性特性和膜骨架形变都与生理环境中的溶质（糖类与晶体电解质等）、浓度和渗透压等因素有直接关系。这为深入了解生物膜的结构和动力学提供了证据,也为原子力显微镜应用于红细胞膜病的临床诊断提供了依据。     

原子力显微镜研究不同刺激条件下T细胞的形态和生物力学特性

T细胞的抗原识别和活化可以直接影响整个免疫应答的性质、效能和结果,在人体免疫反应中具有核心作用.细胞的形态结构和力学特性决定着细胞的功能的发挥.利用原子力显微镜（AFM）从纳米水平和皮牛顿量级探测分析静息的T细胞和不同刺激剂（超抗原SEA和植物凝集素PHA）活化的T细胞的形态结构和生物力学特性.研究发现静息的T细胞呈较为规则的圆形,细胞表面相对光滑均一,活化后细胞高度和体积明显增大,体积增大为静息T细胞的2~3倍,高度增加了约50%,这是T细胞经过刺激剂活化后增殖、分化而增大的表现.同时发现活化后的T细胞表面粗糙度增大,细胞表面形成100 nm~1 μm颗粒状团簇结构.这种微纳结构域的形成与T细胞经过活化后细胞表面分子表达和细胞因子的分泌有关,并且与免疫突触的形成和功能发挥密切关联.经过PHA和SEA活化后的T细胞表面粘附力增大,是静息的T细胞的3-6倍,而细胞硬度明显减小,这种力学特性的变化有利于T细胞与病原体的相关作用从而清除病原体.通过AFM的研究,可以进一步的了解T淋巴细胞形态变化与细胞行为之间的关系,为更好地理解T细胞的结构与功能提供了更多可视化的依据.     

利用AFM探测淋巴瘤细胞表面CD20抗原与其抗体的相互作用

在分子水平阐明细胞生理活动深层次的机制是当前生命科学的重要研究课题. AFM的发明为揭示细胞生理活动的分子本质提供了新的技术手段. 利用AFM单分子力谱技术在近生理环境下对B淋巴瘤细胞表面的CD20抗原与其抗体Rituximab之间的特异性结合反应进行了探索性的研究, 通过对探针进行功能化, 测量了CD20抗原与Rituximab之间的特异性结合力, 同时观察了CD20抗原在B淋巴瘤细胞表面的分布, 并分析了在外部拉力作用下, CD20-Rituximab复合物的分子内力与伸长量的关系. 实验结果为深入研究Rituximab的作用机制奠定了基础.     

基于AFM的细胞表面超微形貌成像与机械特性测量研究进展

原子力显微镜(AFM)以其独特的优势(纳米级空间分辨率、皮牛级力灵敏度、免标记、可在溶液下工作)成为细胞生物学的重要研究手段.AFM不仅可以对活细胞表面超微形貌进行可视化表征,同时还可通过压痕技术对细胞机械特性(如杨氏模量)进行定量测量,为原位探索纳米尺度下单个活细胞动态生理活动及力学行为提供了可行性.过去的数十年中,研究人员利用AFM在细胞超微形貌成像和机械特性测量方面开展了广泛的应用研究,展示了有关细胞生理活动的大量新认识,为生命医药学领域相关问题的解决提供了新的思路;同时AFM自身的性能也在不断得到改进和提升,进一步促进了其在生命科学领域的应用.本文结合作者在应用AFM观测纳米尺度下癌症靶向药物作用效能方面的研究工作,介绍了AFM成像与细胞机械特性测量的原理,总结了近年来AFM用于细胞表面超微形貌成像与机械特性测量所取得的进展,讨论了AFM表征与检测细胞生理特性存在的问题,并对其未来发展方向进行了展望.     

基于AFM的活体状态外泌体纳米结构及机械特性研究(英文)

外泌体在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,研究外泌体的行为特性对于揭示生命活动及疾病发生发展的内在机理具有重要的基础意义.然而由于缺乏合适的观测手段及方法,目前对于活体状态下外泌体结构及特性的认知仍然很不足.原子力显微镜(AFM)的发明为研究溶液环境下天然状态生物样本提供了强大的技术工具,已成为生物学重要研究手段.本文利用AFM对单个活体状态外泌体的纳米结构及机械特性进行了研究.通过多聚赖氨酸静电吸附作用将从淋巴瘤患者骨髓中分离的外泌体吸附至基底,在溶液环境下实现了对单个活体状态外泌体的高质量AFM形貌成像并通过与空气中成像结果进行对比揭示了空气干燥处理对外泌体形貌的影响.在此基础上,分别利用AFM压痕试验和多参数成像技术实现了对单个活体状态外泌体机械特性的定量测量和可视化表征.最后基于所建立的方法技术揭示了化学处理后外泌体结构和机械特性的动态变化.研究结果为研究纳米尺度下活体状态外泌体的结构及特性,以更好理解天然状态外泌体的生理行为提供了新的方法和思路,对于外泌体研究具有潜在积极的意义.     

60Co辐射对网织红细胞微观流变学特性的影响

采用60Co大剂量全身均匀急性辐射的方法,造成一种辐射贫血的动物模型.以便在几天内连续研究60Co辐射对新生的网织红细胞及红细胞流变学特性的影响.采用一种在低粘切变流场中能将红细胞变形指数DI分解为取向指数(DI)or和小变形指数(DI)d的新型激光衍射法,对网织红细胞及红细胞的变形指数、取向指数、综合变形指数(IDI)等血液流变学特性参数进行测量,发现在60Co大剂量辐射后,新生的网织红细胞及红细胞流变学特性存在明显异常.将这种60Co辐射造成的贫血模型与文宗曜等提出的用抗体诱导的大量同步化的球形红细胞贫血模型相比较,后者更具有明显的优点.同时为研究辐射对血液流变特性的影响及正确地挑选红细胞衰老模型提供了理论与实验的基础.     

Atomic Force Microscopy of Asymmetric Membranes from Turtle Erythrocytes

The cell membrane provides critical cellular functions that rely on its elaborate structure and organization. The structure of turtle membranes is an important part of an ongoing study of erythrocyte membranes. Using a combination of atomic force microscopy and single-molecule force spectroscopy, we characterized the turtle erythrocyte membrane structure with molecular resolution in a quasi-native state. High-resolution images both leaflets of turtle erythrocyte membranes revealed a smooth outer membrane leaflet and a protein covered inner membrane leaflet. This asymmetry was verified by single-molecule force spectroscopy, which detects numerous exposed amino groups of membrane proteins in the inner membrane leaflet but much fewer in the outer leaflet. The asymmetric membrane structure of turtle erythrocytes is consistent with the semi-mosaic model of human, chicken and fish erythrocyte membrane structure, making the semi-mosaic model more widely applicable. From the perspective of biological evolution, this result may support the universality of the semi-mosaic model.     

原子力显微镜技术检测几种骨组织细胞力学性能

为了探究几种骨组织细胞系的力学性能及其与细胞功能的关系,该文采用原子力显微镜压陷法分别检测了前成骨细胞系（2T3和MC3T3-E1）、前骨细胞系（MLO-A5）和骨样细胞系（MLO-Y4）的杨氏模量,利用激光共聚焦显微镜观察了这几种细胞微丝和微管的排布。结果显示,2T3、MC3T3-E1、MLO-A5和MLO-Y4细胞的杨氏模量分别为（7000±2015）Pa、（6600±2024）Pa、（4700±644）Pa和（4500±1622）Pa,与原代骨组织细胞的杨氏模量及变化趋势保持一致,但两种前成骨细胞的杨氏模量要显著高于前骨细胞和骨细胞。细胞荧光染色结果表日月＇前成骨细胞细胞核周围的微丝和微管分布密度要高于前骨细胞和骨细胞,而前骨细胞MLO-A5,尤其是骨细胞MLO-Y4的骨架主要集中于细胞突触和边缘,这可能是导致几种细胞力学性能差异的原因。该研究从生物力学的角度为进一步深入理解骨组织细胞结构与功能的关系提供了实验依据。     

肌动蛋白的原子力显微镜研究

原子力显微镜 (AFM )是一种能够在生理条件下对生物大分子、活细胞表面以及细胞膜下结构进行在体或离体研究的强有力的新型工具 ,具有原子级的成像分辨率和纳牛顿级的力测定功能。目前原子力显微镜已被广泛地应用于生物大分子、超分子体系的结构解析、动力学过程观察 ,分子力学研究及细胞功能鉴定。原子力显微镜能够通过尖锐探针扫描待测样品表面 ,收集被测样品表面地貌坐标数据从而对单分子或细胞进行成像或操作 ,并能通过移动探针、记录探针与样品之间的作用力 ,对生物大分子 (蛋白质、核酸和多糖等 )的结构力学特性进行分析以获取分子构象、功能及其相互关系的有用信息。肌动蛋白是一种细胞内普遍存在 ,具有广泛、复杂生理功能的重要蛋白质 ,原子力显微镜的各项功能已广泛地用于肌动蛋白结构、功能及动力学研究。通过综述原子力显微镜在肌动蛋白研究中的应用 ,阐明了原子力显微镜在现代生命科学研究中的重要意义及巨大应用前景。     

人工操纵病毒的原子力显微镜研究

人工操纵生物大分子是目前科学研究的一个前沿领域, 我们利用改进的“分子梳”方法,首次实现了复杂的体系——一种线性噬菌体病毒的人工拉直与定向. 这种操纵是在大面积平整的固体表面实现的, 并利用原子力显微镜对拉直前后的病毒进行了观察与测量.     

钝顶螺旋藻表面微观形貌的原子力显微镜研究

该文应用原子力显微镜(AFM)纳米级的分辨率对钝顶螺旋藻(Spirulina platensis)表面微观形貌进行了研究,获得了扫描范围为5.000×5.000μm、1.000×1.000μm和400.0×400.0nm三组清晰、稳定的图像,并对其进行了线性分析。结果表明:螺旋藻表面由紧密且无序堆积的突起结构组成,其高度小于20nm;突起结构高度从3nm~15nm不等,平均高度约为8~9nm。此法用于生物体表面,操作简单、快速、灵敏度好且样品无损伤,结果令人满意。     

利用原子力显微镜识别成像

细胞膜和细胞内特异蛋白的有效定位与定性,对于了解细胞运动、移植和分化等机制及细胞之间的相互作用非常关键。原子力显微镜灵敏的力学性质在研究生物分子的相互作用和特定分子的免疫识别中得到了广泛的应用,在细胞表面的特异性分子的定位过程中,不像免疫荧光成像一样需要复杂的样品准备,更重要的是能有效地进行特异性和非特异性的识别,并对识别位点可视化。本文从分子识别、功能化探针、基于力-体积成像及与动态力学显微镜结合成像等模式方面,综述了原子力显微镜在生物应用中的识别成像。     

原子力显微镜定量测定采后蘑菇的表面粗糙度

蘑菇表面的失水情况是评价采后蘑菇质量的重要指标.我们提出用原子力显微镜定量测定蘑菇表皮的粗糙度来表示表面的皱缩程度,用算术平均粗糙度和平方根粗糙度表示.双孢蘑菇(Agaricus bisporus(Lange)Sing)贮藏前的算术平均粗糙度为(34.033±5.116)nm,经过2d贮藏,在2℃、25℃和动态温度自发气调贮藏下,其算术平均粗糙度分别为(40.139±3.359)nm、(65.356±8.253)nm和(43.670±9.280)nm.平方根粗糙度值与算术平均粗糙度值有相似的变化趋势,两者均随贮藏时间的延长和温度的增加而增大.表皮的三维图像直观地表示出水分的蒸发过程,变化趋势符合粗糙度值的变化,特别是在贮藏的早期阶段(0～2 d).由粗糙度分析的结果可以区别不同的贮藏条件表明,原子力显微镜测定的粗糙度指标可有效地表示采后蘑菇的表面失水情况.     

原子力显微镜定量测定采后蘑菇的表面粗糙度(英文)

蘑菇表面的失水情况是评价采后蘑菇质量的重要指标。我们提出用原子力显微镜定量测定蘑菇表皮的粗糙度来表示表面的皱缩程度,用算术平均粗糙度和平方根粗糙度表示。双孢蘑菇(Agaricus bisporus(Lange)Sing)贮藏前的算术平均粗糙度为(34.033±5.116)nm,经过2d贮藏,在2℃、25℃和动态温度自发气调贮藏下,其算术平均粗糙度分别为(40.139±3.359)nm、(65.356±8.253)nm和(43.670±9280)nm。平方根粗糙度值与算术平均粗糙度值有相似的变化趋势,两者均随贮藏时间的延长和温度的增加而增大。表皮的三维图像直观地表示出水分的蒸发过程,变化趋势符合粗糙度值的变化,特别是在贮藏的早期阶段(0～2d)。由粗糙度分析的结果可以区别不同的贮藏条件表明,原子力显微镜测定的粗糙度指标可有效地表示采后蘑菇的表面失水情况。     

利用原子力显微镜对A型流感病毒的形态学研究

利用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察流感病毒(H1N1),探讨AFM在病毒形态研究中的应用,为病毒形态学研究提供一种新型、简便、快捷的工具.TEM采用磷钨酸负染方法,AFM采用轻敲模式在大气常温下扫描成像,并对主要指标长度(直径)、Ra、Rq等进行测量.两种方法最终得到相似的形态学结果,流感病毒呈球状、丝状,并有一些形状介于两者之间.TEM提供了流感病毒二维图像,可见钉状突起,AFM则呈现了流感病毒三维图像,且可见病毒表面有凹凸不平的特征和边缘有齿轮状的突起,同时获得表面粗糙度等可以量化指标.与TEM观察相比,原子力显微镜是一种制样简单、观察直观的新型病毒形态学研究工具,其表征参数可以作为病毒形态学研究的量化指标.