基于纳米粒子的光学细胞传感器在癌细胞研究中的应用

第30卷第11期2011年11月分析测试学报

FENXICESHIXUEBAO（JournalofInstrumentalAnalysis）Vol.30No.111207～1215

基于纳米粒子的光学细胞传感器

在癌细胞研究中的应用

11，2*2

，蔡继业1，王锦慧，杨培慧

（1．暨南大学化学系，广东广州510632；2．暨南大学光电信息与传感技术

广东普通高校重点实验室，广东

摘

广州510632）

要：作为一种极为灵敏、快速的新型生物检测技术，光学细胞传感器在生物医学领域的研究应用备受关

注，成为当今生物分析化学领域的研究前沿和热点。它是以细胞作为传感元件来研究信号识别、传导和指示的过程，在毒性物质、病原体等外界条件作用下，研究细胞中活性分子及其生理条件的变化，通过光学信号的变化定量分析细胞膜表面分子、胞内酶分子及微环境中活性氧、谷胱甘肽、pH值等的变化，从而获取细胞功能性信息，这对疾病的诊断和治疗具有重要的指导意义。该文主要介绍以纳米粒子作为光学探针的光学细胞传感器在癌细胞研究中的最新进展。

关键词：细胞传感器；光学检测；纳米粒子；光学探针；癌细胞中图分类号：O433；R361.3

文献标识码：A

文章编号：1004－4957（2011）11－1207－09

doi：10.3969/j.issn.1004－4957.2011.11.002

ApplicationofNanoparticles-basedOpticalCellBiosensor

intheResearchofCancerCells

2*2

WANGJin-hui1，YANGPei-hui1，，CAIJi-ye1，

（1．DepartmentofChemistry，Ji'nanUniversity，Guangzhou510632，China；2．KeyLaboratoryofOptoelectronic

InformationandSensingTechnologiesofGuangdongHigherEducationInstitutes，

Ji'nanUniversity，Guangzhou510632，China）

Abstract：Opticalbiosensorsbasedondifferentopticalphenomenahavebeenusedwidelyoverthepastdecadetoanalysebiomolecularinteractions．Withtheadventofthenanoparticletechnology，theprobingofindividuallivingcells，andthemeasuringofchemicalspeciesinspecificlocationswithinthecellforlivingcellsensinghavebecomepossible．Opticalbiosensorsbasedonnanoparticlesofferhighsensitivity，specificityandrapiddetectioninthestudyofcancercellorbiomarker．Inthispa-per，theapplicationsofnanoparticles-basedopticalbiosensorforthespecificidentificationofmole-culesonthecellmembranesurfaceforthestudyofcancercells，theresearchofenzymemoleculeincancercellsandintracellularandthereactiveoxygen，glutathioneandphysiologicalpHvalueinthesmallestenvironmentarereviewed．Theprospectofthisnoveltechniqueisalsodiscussed．Keywords：cell-basedbiosensors；opticaldetection；nanoparticles；opticalprobe；cancercells；自20世纪80年代以来，细胞传感器随着现代生物学、化学、物理、数学、电子信息科学及纳米

科技多学科的相互交叉而得到迅速发展，作为一种极为快速、灵敏、高特异性的新型生物检测技术，

［1－3］

。细胞传其在生物医学领域的研究应用备受关注，成为当今生物分析化学领域的前沿和研究热点

感器以细胞作为传感元件来研究信号识别、传导和指示的过程，在外界条件如毒素、病原体的作用下，

定量分析毒素、病原体等对细胞生理功能的影响。癌变细胞的膜表面通常过量表达特定的生物分子，并会诱导相关功能性酶分子的活化及改变细胞微环境中的活性氧、谷胱甘肽、pH值等。通过细胞传感器研究相关生物活性分子的变化，可获得细胞功能性信息，对于癌症等多种疾病的诊断和治疗具有重要的指导意义。光学细胞传感器是将细胞传感技术与光学检测技术相结合而形成的一种细胞传感器

［4－9］

，在构建的细胞传感界面上，利用功能化的发光材料，如荧光染料、纳米材料等，获得可检测

收稿日期：2011－09－05；修回日期：2011－10－09

基金项目：国家自然科学基金资助项目（21071064）；科技部973计划资助项目（2010CB833603）

*通讯作者：杨培慧，博士，教授，研究方向：生物分析化学，Tel：020－85220223，E－mail：typh@

1208分析测试学报

［8－9］

第30卷

的光学信号来分析和评价细胞的状态和功能。在发光材料中，纳米颗粒具有光学信号稳定、比表

面积大、易修饰生物分子使其具有高度的特异性、响应迅速等优点。结合多种光学检测技术，光学细胞传感器已成为细胞研究的一种有效工具，为癌细胞的研究提供了一种新的思路。

1基于纳米粒子的光学细胞传感器在癌细胞研究中的应用

癌细胞是一种恶性生长的细胞，其膜表面过量表达受体、抗原分子，并会在代谢或治疗过程分泌一些特殊的酶来促进或抑制癌细胞的生长和迁移。此外，癌细胞内活性氧、谷胱甘肽、pH值等生理条件的变化，对维持其微环境中的新陈代谢平衡也起到了重要作用。因此，将癌细胞中标志性分子作为研究对象，通过细胞传感器定量分析细胞生物功能的变化，对疾病的诊断和治疗具有重要意义。例如：为研究癌细胞表面抗原的变化，采用抗体分子功能化的光学纳米粒子作为光学探针，利用抗原－抗体特异性识别，将探针固定在传感细胞界面作为信号源，通过光学探针信号检测抗原分子的变化，并用于癌细胞的成像和检测。这在基础研究、疾病的诊断、监测及治疗过程方面均极具挑战性，成为细胞

［10］

传感器研究的一个重要方向。以下主要介绍基于纳米粒子的光学细胞传感器在癌细胞膜表面分子、细胞内酶分子及微环境中活性氧、谷胱甘肽、pH值研究方面的最新进展

。

1.1细胞膜表面分子特异性识别对

癌细胞的研究

抗体或配体分子能靶向某些细胞表面

［11］

过量表达的抗原或受体。因抗体－抗原、受体－配体的特异性相互作用，将具有光学性质的生物功能化纳米粒子固定在传感元件细胞的表面，共同构成光学细胞传感界面。这种光学细胞传感界面基于生物分子间的特异性识别作用，具有较高的灵敏度，可用于癌细胞的成像、检测及其功能

［12］

性分子的研究，如图1所示，多功能纳米粒子靶向识别癌细胞表面受体，蓝色内核包有荧光物质和治疗试剂，可用于癌细胞的观察与治疗。

淋巴癌细胞的早期诊断是其治愈的关键。CD3分子大量表达于静息和活化的T细胞表面，与T细胞受体TCR结合参与细胞内信号传导。人T淋巴癌细胞表面过量表达CD3分子可作为细胞传感界面的识别位点，通过生物素和链霉亲和素的相互作用将量子点偶联到CD3抗体分子上，进一步用于标记细胞表面CD3分子，采用荧光法定量检测T淋巴癌细胞。如图2所示，癌细胞个数在40～105范围内与荧光强度呈线性关系，在106个红细胞的共存条件下，该方法仍具有良好的线性关系

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