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Anal. Chem.:基于超微玻璃电极免标记实时监测过氧化氢刺激下单个活细胞膜机械性能的变化

细胞膜是由脂质双分子层组成的生物边界,其机械强度、张力与振动在细胞形状维持与生理活动中起着重要作用。过氧化氢(H2O2)是一种参与细胞生命过程的重要分子,过量H2O2会导致细胞膜快速破碎,而低浓度H2O2可诱导细胞凋亡从而引发细胞膜的逐渐溃散。因此深入探索不同浓度H2O2刺激下细胞膜结构与机械性能的变化对细胞行为和细胞调控等方向的生物学研究具有重要意义。近日,华东理工大学钱若灿副教授(李大伟教授和钱若灿副教授课题组)利用尖端直径小于90 nm的超微玻璃纳米电极,对细胞膜在外加H2O2处理下机械性能的变化进行了快速、灵敏、免标记的实时分析,为监测活细胞在外部刺激下生理状态的动态变化提供了新方法。相关成果发表于《分析化学》(Analytical Chemistry)。

目前,对细胞膜机械性能进行精准分析仍然是一项挑战。传统分析方法,如AFM、光镊、单分子力谱等,通常需要额外修饰且操作复杂,耗时较长,因此易对细胞造成损伤,从而影响结果的准确性。因此,本工作发展了一种基于超微玻璃纳米电极免标记检测单个活细胞膜振动的策略,通过尖端管径小于90 nm的超微玻璃电极产生飞升级电渗流,对单个活细胞膜局部位点的振动情况进行了实时电化学信号监测与分析。如图1所示,当玻璃电极尖端恰与细胞膜接触时,细胞膜与管尖形成临时封接,电流信号减小;此后,电极尖端部位对应的一小块细胞膜破裂使得封接被破坏,电流信号增大;与此同时,由于细胞膜的流动性,临近破缺处的磷脂分子迅速集合并修补破缺,再次形成封接,电流信号再次减小。因此,细胞膜特定位点的机械性能可被转换为周期性电流信号。在加入H2O2后,细胞膜遭到破坏,电流信号振幅衰减,可通过傅里叶变换频谱进行定量分析。

图1. 超微玻璃纳米电极用于H2O2处理下细胞膜机械性能变化的监测。


此外,基于建立的细胞膜振动分析方法,对不同浓度H2O2刺激下细胞膜发生的变化进行了实时监测,并对各浓度H2O2处理后不同时间点的电流信号振幅进行了统计分析(图2)。根据电流信号的衰减程度,可对细胞膜破坏程度建立起类似地震分级的评估体系,从非常强(vs),强(s),中等(m),弱(w),到非常弱(vw)。

图2. 不同浓度和时间H2O2处理下电流振幅与持续时间散点图


上述研究工作由华东理工大学硕士研究生汪肖原在钱若灿副教授指导下完成。汪肖原为论文的第一作者,钱若灿副教授为单独通讯作者。该工作得到了华东理工大学李大伟教授的建议和帮助,并得到了结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心的支持以及国家自然科学基金、国家科技重大专项等项目资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Nanopipette-Based Nanosensor for Label-Free Electrochemical Monitoring of Cell Membrane Rupture under H2O2 Treatment

Xiao-Yuan Wang, Jian Lv, Qin Hong, Ze-Rui Zhou, Da-Wei Li, and Ruo-Can Qian*

Anal. Chem., 202193, 13967–13973, DOI: 10.1021/acs.analchem.1c03313


导师简介


钱若灿,华东理工大学化学与分子工程学院副教授。本硕博就读于南京大学化学化工学院,于2014年获分析化学博士学位,同年10月进入华东理工大学化学与分子工程学院从事博士后研究工作,2016年留校任特聘副研究员、硕士生导师,2019年任副教授。在学术方面,一直致力于分析化学与生物学交叉前沿方面的研究,尤其是细胞相关的生命分析。以活细胞为研究对象,借助纳米制备技术和超微电化学调控技术,结合荧光/暗场/单颗粒光谱多通道成像方法,从识别原理、成像模式和信息解析方面进行创新,构建了一系列基于化学纳米制备技术与超微电化学调控的单细胞分析新方法。以第一作者或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.(3篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(2篇)、Anal. Chem.(5篇)等高水平学术期刊上发表论文36篇,其中3篇论文入选Nature Index的Research Highlight专栏。获2016年上海市“晨光学者”称号,国家发明专利授权4项。


李大伟,华东理工大学化学与分子工程学院教授,上海市浦江人才计划入选者(2017年度)。致力于以表面增强拉曼散射为基础,开展环境检测和生物分析新材料、新方法与新器件等研究。在Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.等国际著名学术期刊上发表第一或通讯作者SCI论文60余篇,发表文章近5年被SCI刊物他引近3000次;授权发明专利5项,PCT专利1项;获中国分析测试协会科学技术奖特等奖1项(第三完成人)。


李大伟与钱若灿联合课题组网站二维码:

https://www.x-mol.com/groups/ECUST_cellanalysis 


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