劉 萍,張亞坤

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,鄭州 450064)

在研究細(xì)胞表面的分子修飾與組裝時需了解其基本內(nèi)涵,進(jìn)行生化分析,以進(jìn)一步提升研究效果,為現(xiàn)代細(xì)胞工程學(xué)的發(fā)展提供有力支持。

1 細(xì)胞表面分子修飾組裝

細(xì)胞表面分子修飾與組裝主要通過調(diào)節(jié)膜蛋白動態(tài)及特異性的方式來實現(xiàn),以達(dá)到良好的細(xì)胞交流效果,使其能夠?qū)ξh(huán)境變化做出積極響應(yīng),這是多細(xì)胞生物生命構(gòu)成的重要基礎(chǔ),是生物工程技術(shù)領(lǐng)域的研究重點,多采用表面定量與成像技術(shù)對表面分子修飾及組裝進(jìn)行生化分析[1]。目前,人們對細(xì)胞表面的分子含量、功能及其分布情況等都有了深入了解,并將各種新的分子修飾與組裝方法應(yīng)用于生物傳感及醫(yī)療診斷中。

細(xì)胞表面分子修飾與組裝方法主要包括非特異性修飾組裝和特異性修飾組裝。其中,非特異性分子修飾與組裝方法的基本原理是借助共價作用、靜電作用、極性插入及輸水作用等對細(xì)胞表面分子進(jìn)行處理;特異性分子修飾與組裝方法的基本原理是借助代謝、酶修飾及遺傳等方法對細(xì)胞表面分子位點實施特異性生物正交處理。需根據(jù)不同修飾組裝方法的基本原理結(jié)合生物細(xì)胞處理需求,選擇合理的措施進(jìn)行表面分子修飾與組裝處理,以滿足生物細(xì)胞表面分析與處理需求。圖1是基于非特異性(左)與特異性(右)處理方法的細(xì)胞表面分子修飾與組裝模式。

圖1 基于非特異性(左)與特異性(右)處理方法的細(xì)胞表面分子修飾與組裝模式

2 細(xì)胞表面分子修飾與組裝的生化分析

細(xì)胞表面分子修飾與組裝方法主要有3種,即DNA分子修飾與組裝、仿生修飾與組裝、傳感界面分子修飾與組裝,對其進(jìn)行生化分析如下：

2.1 DNA分子修飾組裝與生化分析

在對細(xì)胞表面分子進(jìn)行修飾與表達(dá)的生化分析時,由于DNA是以自身堿基互補(bǔ)配對為基礎(chǔ)的分子結(jié)構(gòu),具有可編程性及可預(yù)測性特征,故DNA分子是研究中的重要工具。DNA分子修飾與組裝的主要生化分析及研究方向如下：

分析細(xì)胞蛋白?？蓪⒑怂釘U(kuò)增模式下的原位分析法引入其中,精準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)胞膜蛋白定量?；贒NA分子的細(xì)胞原位級聯(lián)信號放大技術(shù)是典型的技術(shù)形式,技術(shù)處理流程是進(jìn)行原位標(biāo)記,再進(jìn)行滾環(huán)擴(kuò)增及循環(huán)放大,其中第一輪擴(kuò)增產(chǎn)物可作為第二輪信號放大的模板[2]。通過這樣的方式使需要級聯(lián)處理的核酸原位實現(xiàn)等溫擴(kuò)增,顯著增強(qiáng)細(xì)胞表面上的膜蛋白定量信號,科學(xué)獲取細(xì)胞表面對各類疾病蛋白的具體表達(dá)量信息,實現(xiàn)各類腫瘤分子細(xì)胞的合理分型。

監(jiān)測細(xì)胞通信。將結(jié)構(gòu)獨特的DNA探針設(shè)計在細(xì)胞界面上,通過細(xì)胞表面上的分子修飾與組裝來監(jiān)測細(xì)胞通信。通過Mg2+將DNA核酶激活,實現(xiàn)DNA探針的設(shè)計,再將其裝飾在細(xì)胞表面上,借助探針對細(xì)胞表面的M2+信號進(jìn)行監(jiān)測。目前,此方法已實現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞表面血小板生長因子適配體的有效修飾,從而為細(xì)胞工程改造提供有力支持。

分析循環(huán)腫瘤細(xì)胞。在液體活檢中最受關(guān)注的是功能生物標(biāo)志物從原發(fā)部位脫落并進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞。應(yīng)用DNA分子識別技術(shù)與擴(kuò)增技術(shù)可對此種細(xì)胞膜上的標(biāo)志蛋白做出定量分析,實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移情況的精確檢測與鑒定,對于腫瘤的早期發(fā)現(xiàn)及腫瘤患者化療方案的個體化制定具有重要的參考意義。

2.2 仿生修飾組裝與生化分析

細(xì)胞表面離子通道、細(xì)胞凋亡及腫瘤細(xì)胞分型分期鑒定是仿生修飾組裝最為典型的方法。仿生修飾組裝方法的生化分析如下：細(xì)胞表面離子通道仿生修飾與組裝。離子通道是細(xì)胞表面上的一種重要膜蛋白結(jié)構(gòu),主要功能是對細(xì)胞內(nèi)部和外部的分子運(yùn)輸加以控制,使細(xì)胞的生命活動保持正常。目前,離子通道的仿生修飾與組裝研究取得了較好的進(jìn)展。如視網(wǎng)膜感光細(xì)胞借助光敏色素視紫紅質(zhì)來轉(zhuǎn)導(dǎo)光信號,視紫紅質(zhì)的主要組成是視黃醛與視蛋白,其中視黃醛分子構(gòu)象會在光引發(fā)作用下發(fā)生變化,改變細(xì)胞膜電位,形成感應(yīng)電流?？赏ㄟ^偶氮苯及氧化石墨烯DNA之間的相互作用將一種視紫紅質(zhì)仿生離子門控構(gòu)建在陽極氧化鋁薄膜的電極表面。在此過程中,DNA可在波長不同的光照條件下形成與氧化石墨烯具有不同結(jié)合能力的雙鏈或單鏈結(jié)構(gòu),從而使離子門控的開關(guān)達(dá)到可逆化效果[3]。圖2是偶氮苯與石墨烯DNA相互作用模式下的離子門控通道仿生修飾組裝。

圖2 偶氮苯與石墨烯DNA相互作用模式下的離子門控通道仿生修飾組裝

細(xì)胞凋亡仿生修飾與組裝。細(xì)胞凋亡屬于一種保守且不可逆的細(xì)胞程序性死亡。關(guān)于細(xì)胞凋亡的仿生修飾與組裝研究取得了明顯的成效。如雙響應(yīng)DNA納米器件,其是細(xì)胞凋亡仿生修飾與組裝中的重要器件,可通過寡核苷酸識別細(xì)胞中的凋亡信號分子,將其修飾組裝在金納米顆粒上,以實現(xiàn)凋亡信號分子受體系統(tǒng)的科學(xué)集成與模擬,令活細(xì)胞中的凋亡信號通路實現(xiàn)高效成像。此方法有利于細(xì)胞凋亡的分析模型建立及動態(tài)監(jiān)測。

腫瘤細(xì)胞分型分期鑒定。腫瘤細(xì)胞分型分期鑒定是腫瘤患者治療方案確定及預(yù)后效果評估的重要措施。鑒定中,可通過DNA對金納米顆粒進(jìn)行修飾處理,將其與氧化石墨烯相結(jié)合,共同構(gòu)建一種特殊形式的比色傳感陣列。經(jīng)DNA修飾處理的金納米顆粒與氧化石墨烯表面上都有豐富的化學(xué)基團(tuán),這些化學(xué)基團(tuán)可與分析物質(zhì)產(chǎn)生各種特異性識別及非特異性識別作用。借助金納米顆粒的光色特征可對一些腫瘤分型及分期做出準(zhǔn)確鑒定。此技術(shù)已在非小細(xì)胞肺癌亞型中的肺鱗癌與肺腺癌快速分期鑒定中得到了廣泛應(yīng)用,表現(xiàn)出了非常高的鑒定精度。圖3為基于DNA修飾金納米顆粒與氧化石墨烯比色傳感陣列的肺癌腫瘤細(xì)胞分型及分期。

圖3 基于DNA修飾金納米顆粒與氧化石墨烯比色傳感陣列的肺癌腫瘤細(xì)胞分型及分期

2.3 傳感界面分子修飾組裝與生化分析

在細(xì)胞的整個生命周期中大多數(shù)的生理活動都會有定向形式的電荷傳遞或電荷轉(zhuǎn)移情況發(fā)生,因此電化學(xué)分析成為了細(xì)胞工程學(xué)領(lǐng)域中的重點研究內(nèi)容。近年來,細(xì)胞傳感界面分子修飾與組裝技術(shù)在電化學(xué)傳感領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,并在電化學(xué)技術(shù)模式下逐漸成為一種新的細(xì)胞分析方法。很多學(xué)者對其進(jìn)行深入研究,嘗試將具備生物識別能力的分子設(shè)置在細(xì)胞傳感界面上,對其表面分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,從而對納米尺度的生物分子進(jìn)行識別,使其與傳感界面之間達(dá)到良好的協(xié)同作用。如在細(xì)胞傳感器界面上的DNA分子納米結(jié)構(gòu)修飾與與組裝中將DNA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建立在細(xì)胞表面,并將一些功能元件或識別分子引入其中,檢測腫瘤細(xì)胞,對細(xì)胞捕獲與釋放加以控制[4]?？紤]到腫瘤細(xì)胞是一種特異性存在,可將DNA分子作為基礎(chǔ),將相應(yīng)的邏輯門運(yùn)算建立在細(xì)胞膜表面上,對腫瘤標(biāo)志物做出合理的聯(lián)合檢測。目前,聯(lián)合檢測技術(shù)在乳腺癌細(xì)胞檢測中得到了廣泛應(yīng)用,應(yīng)用效果突出。此外,多肽具備非常好的生物活性與自組裝性能,在細(xì)胞傳感界面分子修飾與組裝中可將其用作界面材料,通過各類轉(zhuǎn)肽酶、蛋白酶的活性變化將其轉(zhuǎn)變成卷曲螺旋多肽互補(bǔ)配對及解離等形式,達(dá)到顯著的構(gòu)象變化效果,借助此種構(gòu)象變化實現(xiàn)多肽與金屬離子之間配位作用的有效控制。通過這樣的方式使多肽中的酶活性變化轉(zhuǎn)變成過渡金屬離子催化過程中放大化學(xué)級聯(lián)的反應(yīng),使產(chǎn)生的生物傳感信號更加靈敏。通過這些細(xì)胞界面?zhèn)鞲蟹绞降暮侠響?yīng)用為細(xì)胞表面分子的特定功能及多維度分析提供更多的技術(shù)選擇與參考依據(jù)。可將這些方法應(yīng)用于各類腫瘤細(xì)胞相關(guān)的蛋白分析中,為科學(xué)診斷與預(yù)后效果的合理評估提供科學(xué)、先進(jìn)的技術(shù)支持。

3 結(jié)束語

細(xì)胞工程學(xué)是生物和醫(yī)療領(lǐng)域中的基本學(xué)科,對現(xiàn)代生物與醫(yī)療發(fā)展具有重要的影響。細(xì)胞表面分子修飾組裝與生化分析是細(xì)胞工程學(xué)研究中不可或缺的重要組成。為促進(jìn)其在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的良好應(yīng)用需充分了解其基本原理,以此為依據(jù),結(jié)合細(xì)胞工程學(xué)研究目標(biāo),對表面分子修飾與組裝技術(shù)進(jìn)行合理選擇及應(yīng)用,對其應(yīng)用效果進(jìn)行合理的生化分析,充分發(fā)揮分子修飾與組裝技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢,使其在細(xì)胞表面分子處理中得到廣泛應(yīng)用。