雙筒納米探針用于同時(shí)進(jìn)行SICM成像和pH測(cè)量操作

 

金澤大學(xué)納米生命科學(xué)研究所的Yuri Korchev和Yasufumi Takahashi，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）的Yanjun Zhang和來(lái)自英國(guó)、中國(guó)、日本、俄羅斯合作機(jī)構(gòu)的同事們?cè)谧罱囊黄撐闹薪忉尩溃?ldquo;很明顯，酸性細(xì)胞外pH值在癌細(xì)胞生長(zhǎng)、侵襲和對(duì)抗治療中起著至關(guān)重要的作用。盡管人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到直接環(huán)繞在細(xì)胞周圍的pH值作為細(xì)胞健康指標(biāo)的重要性，但是現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)在靈敏度、可提供的空間分辨率和對(duì)pH值變化的響應(yīng)速度方面仍然受到限制。”Zhang、Takahashi、Korchev及其同事發(fā)表在《自然通訊》上的論文中描述了一種新型納米微滴管pH生物傳感器，該傳感器對(duì)0.01單位以下的pH值變化非常敏感，響應(yīng)時(shí)間為2 ms，空間分辨率為50 nm。

 

研究人員最初將傳感器設(shè)計(jì)為納米微滴管離子場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中的柵極控制著納米微滴管中離子的流動(dòng)。雖然這種設(shè)計(jì)解決了圍繞pH值敏感性和空間分辨率的問(wèn)題，但是由于離子庫(kù)侖阻塞效應(yīng)阻礙了離子的擴(kuò)散速率，該裝置的讀數(shù)仍需要花費(fèi)幾秒鐘來(lái)響應(yīng)pH值的變化。

 

Zhang、Takahashi、Korchev及其同事現(xiàn)在提出的解決方案是結(jié)合兩性離子膜以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)。通過(guò)使用雙筒納米微滴管（只有一個(gè)筒應(yīng)用了離子膜），研究人員得以將另一個(gè)筒作為掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（scanning ionic conductance microscope, SICM）同步進(jìn)行拓?fù)錅y(cè)量。

 

團(tuán)隊(duì)成員在活的癌細(xì)胞上進(jìn)行測(cè)試，并展示了該裝置如何從缺乏雌激素的乳腺癌細(xì)胞浸潤(rùn)性表型中檢測(cè)到細(xì)胞外pH值的增加。他們還可以檢測(cè)光合作用中，由于無(wú)機(jī)碳的吸收所導(dǎo)致的暴露于陽(yáng)光下藻類的pH值變化，并且可以從高分辨率pH值圖中識(shí)別出侵襲性黑色素瘤細(xì)胞的異質(zhì)性。

 

研究人員著重強(qiáng)調(diào)了該裝置可以實(shí)時(shí)反饋所控制的細(xì)胞外pH值動(dòng)態(tài)3D映射，并且可以檢測(cè)出“無(wú)標(biāo)記和亞細(xì)胞分辨率”癌細(xì)胞的異質(zhì)性。他們總結(jié)道，“該方法有助于癌癥的診斷、預(yù)后和評(píng)估酸性pHe（細(xì)胞外pH值）靶向治療。”

 

利用反饋控制的雙筒SICM-pH納米探針對(duì)活黑色素瘤細(xì)胞進(jìn)行高分辨率3D pHe映射。單次SICM掃描同時(shí)獲得低緩沖活性黑色素瘤A375M細(xì)胞的3D SICM地形圖（左柱）和3D pHe分布圖（右柱），顯示了高度多樣化的pHe分布模式。比例尺：20 μm

 

先前技術(shù)的局限性

 

目前，最常用的pH探針基于微電極，與細(xì)胞外pH研究中pH值波動(dòng)范圍相比，微電極體積較大。替代方案包括基于分子熒光的變化，核磁共振成像以及正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描。然而，熒光監(jiān)測(cè)易受背景噪音和光漂白的影響，其他技術(shù)的空間分辨率較差，并且由于其基于探針在組織內(nèi)的分布而難以定量。

 

通過(guò)使用納米微滴管作為離子場(chǎng)效應(yīng)晶體管，研究人員得以克服限制現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)問(wèn)題。但是，相互排斥的電荷會(huì)導(dǎo)致庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)抑制帶正電荷的質(zhì)子化水分子在納米微滴管管中的擴(kuò)散，從而減緩了響應(yīng)時(shí)間。

 

兩性離子膜

 

兩性離子是包含帶相反電荷官能團(tuán)的不帶電荷分子。針對(duì)納米微滴管中的兩性離子膜，研究人員使用多聚賴氨酸（poly-l-lysine, PLL）和葡糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）自組裝水凝膠，具有成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。PLL具有帶正電荷的季胺基，Gox具有帶負(fù)電荷的羧酸殘基。戊二醛蒸汽可以交聯(lián)所得的PLL/Gox水凝膠。

 

中性pH條件下，兩性離子膜同時(shí)具有帶正電荷和負(fù)電荷的官能團(tuán)，但在低pH條件下，正電胺基官能團(tuán)占主導(dǎo)地位，因此負(fù)離子優(yōu)先通過(guò)膜擴(kuò)散，從而避免了離子庫(kù)侖的阻塞。

 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13535-1

 

作者： 麥姆斯咨詢殷飛