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顧寜，許海燕等 著

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• 生物醫用材料
• 納米材料
• 細胞生物學
• 生物相容性
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• 組織工程
• 納米毒理學
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店铺： 科学出版社旗舰店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030418319

商品编码：10383075031

包装：精装

开本：16

出版时间：2015-11-20

页数：536

字数：700

商品參數

生物醫用納米材料對細胞的作用
	定價	178.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2015年11月
	開本	16
	作者	顧寜，許海燕等
	裝幀	精裝
	頁數	536
	字數	700
	ISBN編碼	9787030418319

內容介紹
本書主要介紹具有生物醫學應用潛力的納米材料對細胞的作用，以及 針對納米材料與細胞相互作用而發展的新型錶徵手段和分析方法。全書共 16章,係統介紹瞭以下四個方麵的內容，包括:①納米生物學的概念、理論，同時介紹納米錶徵測量與分析在納米生物學研究中的重要意義和進展（第 1章）；②納米生物醫用材料及製劑的研究，強調細胞研究中需要重視的工 具與方法(第2？5章〕；③從分子和細胞層麵介紹納米材料與細胞作用的研 究進展(第6？13章〕；④從醫學應用角度對納米材料乂細胞作用的探索研究 (第14？16章〕。

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適讀人群 ：《生物醫用納米材料對細胞的作用》的目的是介紹具有生物醫學應用潛力的納米材料對細胞的作用，以及在研究中發展的新的錶徵和檢測分析技術，為進入此領域的研究人員或者産業界人士全麵瞭解納米生物學和納米生物技術的基礎與應用潛力提供重要的參考。

目錄
目 錄 《納米科學與技術》叢書序 前目 第1章 緒論……………… 1 1. 1 基於掃描探針顯微術觀細胞微納結構及生物過程……………… 2 1. 2 單細胞檢測與分析技術……………… 4 1.2.1 先進光學方法……………… 5 1.2.2 質譜等譜學方法……………… 8 1.2.3 電化學與電磁探極技術……………… 9 1.3 細胞內生長與仿生製備納米材……………… 11 1.3.1 細胞中生長金、銀等貴金屬納米顆粒……………… 12 1.3.2 磁細菌與磁小體……………… 15 1.3.3 細胞中生長化閤物納米顆粒……………… 17 1.3.4 基於生物分子(仿生)閤成納米材料……………… 18 1.4 人工納米顆粒作用於細胞……………… 20 參考文獻……………… 21 第2章 生物醫用納米材料的製備、特性與質量控製……………… 33 2.1 具有生物醫學應用前景的米材料……………… 33 2.1.1 (貴)金屬納米顆粒……………… 33 2.1.2 半導體納米顆粒……………… 34 2.1.3 磁性氧化物納米顆粒……………… 34 2.1.4 有機/聚閤物納米顆粒(含生物分子構建的納米粒〕……………… 34 2.1.5 碳納米材料……………… 34 2.2 生物醫用納米材料製備、錶徵與質量控製……………… 34 2.2.1 化學組成……………… 35 2.2.2 晶體結構與結晶度……………… 35 2.2.3形狀、尺寸及尺寸分布……………… 36 2.2.4 錶麵修飾分子……………… 36 2.2.5 等電點 ……………… 36 2.2.6 聚集態 ……………… 37 2.2.7 錶麵化學特性……………… 37 2.2.8 光、電、磁等物理特性……………… 37 2.2.9 穩定性 ……………… 38 2.2.10 生物相容性……………… 38 2.3 重要的生物醫用納米材料……………… 38 2.3.1 貴金屬納米材料……………… 38 2.3.2 金屬氧化物、硫化物等無機化閤物納米材料……………… 54 2.3.3 碳納米材料……………… 78 2. 3. 4有機納米材料……………… 89 2.4 生物醫用納米材料的體內製劑……………… 96 2.4.1 納米靶嚮製劑……………… 96 2.4.2 透皮給藥製劑 ……………… 100 2.4.3 納米製劑的體內外要求……………… 103 參考文獻……………… 108 第3章 單細胞的操控、檢測與分析……………… 117 3.1 單細胞控製……………… 118 3.1.1 毛細管電泳……………… 118 3.1.2 微流控技術……………… 119 3.1.3 光鑷 ……………… 120 3.1.4 磁鑷 ……………… 121 3.1.5 電場 ……………… 122 3.1. 6 聲場 ……………… 123 3.2 胞結構的顯微與分析……………… 124 3.2.1 光學顯微術 ……………… 125 3.2.2 電子顯微術 ……………… 132 3.2.3 掃描探針顯微術……………… 140 3.2.4 電化學阻抗顯微鏡……………… 143 3.3 單細胞的電學測量與分析……………… 144 3.3.1 電化學方法……………… 144 3.3.2 細胞電生理技術 ……………… 145 3.3.3微納探極技術……………… 147 3.4 細胞結構和成分的質譜錶徵與分析……………… 151 3.4.1 基底輔助激光解吸電離質譜……………… 151 3.4.2 二級離子質譜技術……………… 152 3.5 小結與展望……………… 154 參考文獻……………… 154 第4章 基於微流控芯片的納米材料細胞分析……………… 163 4.1 微流控芯片在細胞生物學中的應用……………… 163 4.1.1 微流控芯片上的細胞分離、分選……………… 164 4.1.2微流控芯片上的細胞培養……………… 164 4.1.3微流控芯片上的單細胞分析……………… 165 4.2納米材料在微流控芯片細胞生物學分析中的應用……………… 167 4.2.1碳納米管、金等納米材料 ……………… 167 4.2.2量子點……………… 171 4.2.3 其他 ……………… 173 參考文獻……………… 175 第5章 細胞的三維培養及其顯微成像與分析……………… 179 5.1 細胞的微環境與三維培養……………… 179 5.1.1 腫瘤細胞與細胞之間的作用……………… 180 5.1.2 腫瘤細胞與細胞基質之間的作用 ……………… 180 5.1.3 低氧誘導因子對腫瘤細胞的作用……………… 180 5.2 腫瘤細胞三維培養的基質……………… 181 5.2.1 細胞三維培養基質的定義……………… 181 5.2.2 細胞三維培養基質的設計原則……………… 181 5.2.3 細胞三維培養基質的種類……………… 181 5.2.4 細胞三維培養基質的製備方法……………… 182 5.3 三維培養在腫瘤研究中的應用……………… 187 5.3.1 用於腫瘤細胞的藥物評價……………… 187 5.3.2 腫瘤乾細胞的富集……………… 190 5.3.3 用於腫瘤細胞侵襲轉移的研究……………… 190 5.4 細胞三維生長的顯微成像與分析……………… 191 5.4.1 以顯微成像與分析技術研究細胞的三維生長……………… 191 5.4.2 Micro-CT技術的發展現狀……………… 192 5.4.3 細胞團研究用Micro-CT係統的主要關鍵技術……………… 194 5.5 小結與展望……………… 197 參考文獻……………… 198 第6章 納米材料與生物分子的作用……………… 203 6.1 納米材料與生物分子作用的影響因素……………… 203 6.2 納米粒子與蛋白分子的相互作用……………… 204 6.3 納米粒子與凝血因子的相互作用……………… 204 6.3.1 凝血因子的組成和主要功能……………… 205 6.3.2 納米粒子與凝血因子的相互作用 ……………… 205 6.4 納米粒子與核酸的相互作用……………… 208 6.5 納米粒子與生物分子的相互作用及其應用研究舉例……………… 209 6.5.1 金屬納米顆粒……………… 209 6.5.2 二氧化桂納米顆粒……………… 211 6.5.3 磁性納米果頁粒 ……………… 212 參考文獻……………… 213 第7章 納米材料對細胞膜的作用……………… 218 7.1 納米材料的跨膜轉運及其機製……………… 220 7.1.1 納米材料的人胞方式和機製……………… 220 7.1.2 納米材料人胞後的代謝歸宿……………… 227 7.1.3 不同細胞攝取納米材料的差異……………… 228 7.2 納米材料對細胞膜離子艦的影響……………… 228 7.2.1 納米材料對細胞膜鉀通道的影響 ……………… 228 7.2.2 納米材料對鈣通道的影響……………… 232 7.2.3 納米材料對鈉通道的影響……………… 232 7.2.4 納米材料對氯通道的影響……………… 232 7.2.5 納米材料對超極化激活環核苷酸門控陽離子通道的影響……………… 233 7.3 納米材料對細胞膜離子泵的影響……………… 233 7.3.1 納米材料對恤Na+-K+-ATP酶的影響……………… 233 7.3.2 納米材料對鈣泵和中樞神經遞質的影響……………… 234 7.3.3 納米材料對細胞膜受體的影響……………… 235 7.3.4 納米材料對G蛋白的影響……………… 235 7.4 納米材料對神經細胞膜結構和功能的影響……………… 236 7.4.1 納米材料對突觸傳遞和突觸重塑的影響……………… 236 7.4.2 碳納米管在神經網絡構建中的特殊優勢和應用……………… 236 7.5 納米材料的膜毒性和膜相容性……………… 237 7.5.1 納米材料的膜毒性……………… 237 7.5.2 納米材料的性狀和內吞對其膜毒性的影響……………… 238 7.5.3 不同納米材料的毒性差異以及不同生物種群對納米材料毒性敏感性的差異……………… 238 7.6 納米技術在細胞膜功能蛋白質研究中的應用……………… 239 7.6.1 納米量子點技術用於研究膜蛋白循環……………… 239 7.6.2 利用納米技術研究內源性大麻素的人胞機製……………… 239 7.7 展望 ……………… 240 參考文獻……………… 241 第8章 納米材料作用於細胞膜的模擬研究……………… 246 8.1 引言 ……………… 246 8.1.1 細胞膜……………… 246 8.1.2 納米材料對細胞膜的作用機製及對細胞膜的影響……………… 249 8.2 材料性質對納米材料與細胞膜作用影響的模擬研究……………… 252 8.2.1 尺寸 ……………… 252 8.2.2 形狀 ……………… 253 8.2.3 錶麵電荷性質 ……………… 253 8.2.4 親疏水性質……………… 254 8.2.5 錶麵特異性修飾 ……………… 255 8.2.6 濃度與聚集態 ……………… 256 8.3 醫用納米載體對細胞膜的作用仿真……………… 256 8.3.1 樹枝狀大分子 ……………… 257 8.3.2 聚閤物膠束……………… 258 8.3.3 脂質體囊泡……………… 261 8.4 相關研究中計算方法及模型的研究進展……………… 264 8.4.1 不同時空尺度的艦模擬方法……………… 265 8.4.2 分子動力學方法理論及應用概述 ……………… 270 8.5 小結 ……………… 279 參考文獻……………… 280 第9章 功能納米材料及結構對細胞遺傳特性的影響……………… 286 9.1 納米材料對細胞基因組的影響……………… 286 9.1.1 納米材料誘發遺傳毒性的潛在機製……………… 286 9.1.2 金屬及金屬氧化物納米材料對細胞基因組的影響……………… 288 9.1.3 非金屬納米材料對細胞基因組的影響……………… 291 9.2 基因芯片技術在分析鐵納米材料基因毒性中的應用……………… 301 9.2.1 基因芯片技術概況……………… 301 9.2.2 基因芯片技術在分析鐵納米顆粒細胞效應中的應用……………… 302 9.2.3 鐵納米顆粒對小鼠巨噬細胞基因錶達譜的影響……………… 304 9.2.4 鐵納米顆粒對兩種小鼠細胞基因錶達影響的比較……………… 306 9.2.5 鐵納米顆粒對鐵穩態相關基因錶達的影響……………… 312 9.3 問題與展望……………… 315 9.3.1 納米材料對細胞遺傳特性評價的影響……………… 315 9.3.2 檢測方法對細胞遺傳特性評價的影響……………… 317 9.3.3 展望 ……………… 319 參考文獻……………… 319 第10章 納米材料對細胞周期及特性的影響……………… 331 10.1 細胞周期……………… 331 10.2 細胞周期調控的分子機製……………… 333 10.3 納米材料對細胞周期的影響……………… 334 10.3.1 金屬納米顆粒……………… 334 10.3.2 無機納米顆粒……………… 338 10.3.3 高分子納米顆粒……………… 340 10.3.4 功能化納米材料……………… 341 10.4 利用納米材料雛細胞周期的應用……………… 341 10.4.1 細胞周期與腫瘤治療……………… 342 10.4.2 利用納米材料調控細胞周期在生物醫學研究中應用……………… 342 10.5 小結……………… 343 參考文獻……………… 344 第11章 納米粒子對細胞信號通路的影響……………… 348 11.1 概述……………… 348 11.2 納米粒子對信號通路影響的研究進展……………… 350 11.2.1 二氧化鈦納米粒子……………… 350 11.2.2 銀納米粒子……………… 352 11.2.3 磁性納米粒子……………… 354 11.2.4 金納米粒子……………… 355 11.2.5 碳納米材料……………… 356 11.2.6 其他納米粒子……………… 357 11.3 小結和展望……………… 358 參考文獻……………… 358 第12章 生物醫用納米材料對單核吞噬細胞係統的作用……………… 362 12.1單核吞噬細胞係統簡介……………… 363 12.2生物醫用納米顆粒對單核細胞的作用……………… 366 12.2.1納米金屬材料……………… 367 12.2.2無機非金屬材料……………… 372 12.3納米顆粒對巨噬細胞的作用……………… 376 12.3.1 量子點……………… 376 12.3.2 納米金……………… 378 12.3.3 納米銀……………… 379 12.3.4鐵基磁性納米顆粒……………… 381 12.3.5 脂質體材料……………… 383 12.3.6 其他納米材料……………… 385 12.3.7 蛋白冠……………… 385 12.3.8 巨噬細胞對納米材料特殊的吞噬方式……………… 387 12.4 小結與展望……………… 388 參考文獻……………… 389 第13章 納米材料對細胞自噬的影響……………… 394 13.1 細胞自噬簡介……………… 394 13.1.1 自噬是細胞維持自穩態的關鍵生物學過程……………… 394 13.1.2 完整自噬和非完整自噬 ……………… 395 13.2 納米材料的細胞自噬效應……………… 401 13.2.1 稀土納米材料……………… 403 13.2.2 半導體量子點……………… 404 13. 2. 3 碳納米材料……………… 405 13.2.4 金屬納米材料……………… 405 13.2.5 有機納米材料……………… 406 13.2.6 其他納米材料……………… 406 13.3 納米材料誘導細胞自噬的生物安全性問題……………… 407 13.3.1 細胞自噬不是細胞死亡的一種形式……………… 407 13.3.2納米材料誘導的細胞自噬與細胞命運的關係……………… 407 13.3.3 通過調控納米材料的理化性質及錶麵性能調控其自噬能力……………… 408 13.4 納米材料誘導細胞自噬效應的應用……………… 409 13.4.1 診療一體化……………… 409 13.4.2腫瘤放化療增敏……………… 411 13.4.3 提高抗原呈遞效率……………… 411 13.4.4 消除細胞內沉積物……………… 412 13.5 小結與展望……………… 413 13.5.1 細胞如何識彆納米材料而啓動自噬……………… 414 13.5.2 納米材料引發自噬早期信號通路的過程……………… 414 13.5.3 納米材料在細胞中的命運……………… 415 13.5.4 自噬溶酶體命運……………… 416 參考文獻……………… 417 第14章 碳納米管對免疫細胞的作用及其在抗腫瘤免疫治療中的應用前景……426 14.1 巨噬細胞對碳納米管的吞噬作用……………… 426 14.2 巨噬細胞對碳納米管的免疫響應……………… 428 14.3 碳納米管的免疫刺激效應……………… 433 14.4 碳納米管的免疫效應對於抗腫瘤免疫治療的意義……………… 438 14.5 碳納米管作為抗腫瘤疫苗載體的研究……………… 443 14.6 小結與展望……………… 445 參考文獻……………… 445 第15 章納米材料對神經細胞的作用……………… 449 15.1 銀納米顆粒對神經細胞的影響……………… 450 15.1.1 銀納米顆粒的安全評價與毒性作用研究……………… 450 15.1.2 銀納米顆粒神經毒性作用機製……………… 452 15.2 氧化鐵納米顆粒對神經細胞的作用……………… 453 15.2.1 氧化鐵納米顆粒在神經係統疾病治療中的應用研究……………… 453 15.2.2氧化鐵納米粒子的毒性作用及機製……………… 455 15.3碳納米管對神經細胞的作用……………… 458 15.3.1單壁碳納米管的毒理學 ……………… 458 15.3.2單壁碳納米管對神經細胞的作用……………… 458 15.3.3多壁碳納米管對神經細胞的影響……………… 460 15.4 二氧化鈦納米顆粒對神經細胞的作用……………… 461 15.4.1 TiO2納米顆粒的安全性評價 ……………… 462 15.4.2 TiO2納米顆粒對神經細胞作用的機製……………… 462 15.4.3 TiO2納米顆粒對神經細胞的作用……………… 463 15.5 矽納米顆粒對神經細胞的作用……………… 464 15.6 聚閤物納米粒對神經細胞的作用……………… 466 15.6.1 可生物降解聚閤物……………… 466 15.6.2 Tween80包被的納米粒 ……………… 466 15.6.3 長循環納米粒……………… 468 15.6.4 主動靶嚮納米粒……………… 468 15.6 其他 ……………… 469 15.7 納米金應用於神經研究……………… 470 參考文獻……………… 472 第16章 噬菌體在生物醫藥領域中的應用……………… 476 16.1 噬菌體的概述……………… 476 16.1.1 噬菌體是一種以微生物為宿主的病毒體……………… 476 16.1.2 噬菌體的發現……………… 476 16.1.3 噬菌體的分布……………… 477 16.1.4 噬菌體的種類……………… 477 16.1.5 噬菌體感染機理及侵染過程……………… 479 16.2 噬菌體展示技術用於篩選相互作用分子……………… 481 16.2.1 噬菌體展示原理 ……………… 481 16.2.2 噬菌體展示基本步驟……………… 482 16.2.3 噬菌體展本在研允中的應用……………… 484 16.3噬菌體作為基因載體的研究……………… 485 16.3.1 ？噬菌體簡介……………… 485 16.3.2 ？噬菌體生活史……………… 486 16.3.3 ？噬菌體的可取代區……………… 488 16.3.4 ？噬菌體的基因組特徵……………… 489 16.3.5常用的代錶性？噬菌體載體……………… 490 16.3.6 ？噬菌體載體的剋隆原理及步驟……………… 493 16.3.7 ？噬菌體作為基因載體的研究舉例……………… 494 16. 4 噬菌體與細胞相互作用及用於組織工程材料抗菌的研究……………… 494 16.4.1 M13噬菌體引導細胞生長 ……………… 495 16.4.2 M13噬菌體用做組裝納米材料……………… 495 16.4.3 噬菌體用於抗菌試劑 ……………… 496 16.4.4 M13噬菌體作為診斷試劑檢測細菌……………… 497 16.5 噬菌體鮮其他臨細究……………… 498 16.5.1 噬菌體用於腫瘤顯影劑 ……………… 498 16.5.2 噬菌體用於腫瘤疫苗……………… 499 16.6 噬菌體納米材料在生物醫學中的應用前景……………… 500 參考文獻……………… 502 索引……………… 507

在綫試讀
第1章緒 論 納米科學與技術的興起與蓬勃發展，催生齣瞭許多新的釀發展方嚮，推動瞭 眾多新技術的跨越式進步。納米生物學及技術的齣現與進展，包括其在醫學、健康 等方麵的應用研究，就是其中一個重要的方麵。 納米生物學及技術，這裏統稱為納米生物技術，是緊密依托於納米錶徵與測 量、納米材料、納米器件及係統等的發展，結閤生物學、醫學以及健鮮的發展與應 用需求而産生並快速發展起來的重要方嚮。它從不同層次上研究並理解納米材料 與器件對生物體的作用，發現相關生物效應，形成納米材料與器件的生物醫用基礎 與技術，並*終實現在生物醫藥以及人類健康方麵的實際運用。應該說，曆史上大 多數新的學問或新技術的齣現，通常就會立刻被考慮應用於生命科學或生物學研 究，以及用於發展醫學和健康相關的新技術。例如X射綫的發現，從錶麵上看是 因為一個偶然機會，將研究人員的手骨結構在塗有熒光物質的闆子上顯示齣瞭圖 像，並很快被發現，隨即就被用於人體內部解剖結構的成像。而實際上，人們一旦 發現某種工具可以透視人體的內部結構，就自然會考慮將其用於探究人體的內部 情況，這實質上是一種推動醫學解剖學發展的重要原動力[1]。納米技術發展早期 的一個重要標誌，是1986年獲諾貝爾物理學奬的掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope,STM）的發明[2]，及其應用於各種納米材料或結構的錶徵測量 以及諸如原子操控等[4]，其中，在567發明的早期階段，也有研究者立刻將其運 用於研究一些諸如核酸分子的納米結構[3]，這也成為納米生物學或納米生物技術 研究與發展的開端。*早介紹567的著作可參見文獻[5]。 納米生物技術發展的核心細之一，在於認識並理解納米材料、納米器件等在 一定環境或條件下與所遇到的生物體（biological object）的相互作用。這些生物 體，可以是包括核酸、蛋白質等在內的生物分子、細胞與細胞器、組織、器官等。深 入釀這些相互作用，有助於發現納米材料與器件的特殊生物效應，以及安全閤理 地在生物醫藥等方麵使用這些納米材料、器件或納米技術;並且還可能基於仿生納 米結構，研發齣新型的功能納米結構或係統，尋求更廣泛的應用。這其中，對於納 米材料或結構作用於細胞的研究，尤為重要。因為一方麵，它代錶瞭納米材料作用 於黯生物活的生命體*小單元的果，將深化對生命科學的有關研究;另一方 麵，所産生的研究結果也將更具現實意義，可應用於生物醫藥等領域。 在納米生物技術研究與發展的過程中，相繼采用57觀測分子的雙螺 鏇結構等研究之後，伴隨原子力顯微鏡（atomic force microscopy,AFM）等更多新 的掃描探針顯微術的齣現與發展，采用先進的納米錶徵測量手段研究生物納米結 構，包括各種納米結構與材料影響生物分子及其功能等方麵的研究逐漸開展起來。 細胞，作為生命的*基本單位，在納米生物技術發展中始終受到高度的重視，因為 所有納米水平上的作用，或外源性納米材料對生物的作用，首先是細在對細胞的 作用。因此，在掃描探針顯微術用以研究細胞等微納生物結構及相互作用的同時， 更多的新技術，包括先進的光學顯微技術、微納電極與光極(統稱為微納搬)以及 譜學方法等不斷湧現齣來，並在納米材料細於細胞的研究中發揮齣積極的作用。 1. 1基於掃描探針顯微術觀測細胞微納結構及生物過程 我們都知道，生物學的發展與顯微鏡的齣現和發展密不可分。從*早的光學 顯微鏡的發明導緻細胞結構被發現，到電子顯微鏡的齣現及發展，細胞生物學的研 究突飛猛進，並進一步將有關分子生物學的研究結閤進去。如果將光學顯微鏡作 為第*代顯微鏡(當然，目前光學顯微鏡也有非常快速的發展），電子顯微鏡作為第 二代，掃描探針顯微鏡則可稱之為第三代，包括STM、AFM、磁場力顯微鏡(MFM)、激光力顯微鏡(LFM)、掃描熱顯微鏡(STrM)、掃描離子電導顯微鏡(SICM)、電場力顯微鏡(EFM)以及電容力顯微鏡（ECM）、掃描近場光學顯微鏡 (SNOM)和光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。掃描探針顯微鏡指一類顯微鏡，基 本上是通過控製一個尖銳的針尖(探針^在樣品錶麵上掃描，由於該針尖與樣品錶 麵發生相互作用，采取不同的設計原理，例如基於電流、電容、磁場等形式，將這種 針尖與樣品的作用關係或關聯錶示齣來，由此可以很高空間分辨以及靈敏地反映 齣樣品錶麵的結構，包括形貌、電子結構或磁學性質等信息。 DNA分子的第*張STM圖像是Binnig和Rohrer於1984年在真空條件下 獲得的[6]，成像中的DNA分子未經過修飾，鋪展於基底錶麵。Driscoll等也曾在 真空下對DNA進行STM成像，獲得瞭接近原子級的分辨結果[7]。STM可用來 觀察固態、液態和氣態的樣品，但一般要求樣品具有較好的導電性，這也限製瞭它 在生物分子和細胞等生物樣品觀測與分析方麵的應用。1985年，Binnig、Gerber與發明瞭原子力顯微鏡(AFM)[11]，利用探測懸臂梁上的針尖和待測樣品 之間的近距離相互作用，例如範德華作用力的強弱，獲得樣本錶麵的起伏及幾何形 狀，可用於各種環境中的樣品，包括在液相中的樣品，且對樣品的導電性沒有要求， 剋服瞭STM的相關局限性。自此以後，在采用STM的同時，也逐漸開始用AFM等掃描力顯微鏡分析研究生物樣品，如DNA、RNA分子中的堿基配對或序列[4,7]、 分子構象[8]以及蛋白質分子結構[9]等，其中也包括研究核酸分子與蛋白分子的復 閤體[10]。 *早采用AFM觀測與分析細胞開展的研究主要包括Butt[12]Haberle[13]、Henderson[14]、Harbe、Radmacher等的工作。例如，Radmacher等[16]采用AFM對黏附於蓋玻片上的活體血小闆的活化過程進行瞭成像。Henderson等[14] 對體外培養的神經膠質細胞肌絲的動態變化進行瞭連續AFM成像與分析，證明 瞭AFM可鮮研究胞細纖結構動變化*早的些究本是集中 在對真核細胞與細菌的錶麵及形貌的觀測[17，18]。緊隨其後的許多研究則逐漸擴 展到生物學研究的許多方麵，特彆是對單細胞以及單個生物分子更深入的釀，例 如測量細胞的機械特性[19，22]、研究細胞錶麵受體的分布及受體-配體的結閤 力[23，24]、細胞膜以及膜蛋白的結構與力學特性[25-27]等等。 隨著AFM等技術的快速發展，利用其可達納米水平的高分辨本領，且可以實 時觀生理環境中的生物樣品，大大推進瞭細胞生物學研究的進展。現在，AFM已被廣泛用於細胞生物學及相關醫學與健康研究的越來越多的方麵。例如，Fabtner等采用多聚賴氨酸修飾的基底吸附大腸杆菌，采用連續掃描圖像間隔為 13秒的高速AFM，實時觀測瞭加入抗菌肽CM15後大腸杆菌所齣現的褶皺、破裂 等趨嚮死亡的動態過程[28]。EL-Kirt-Chate等[29]采用AFM並結閤熒光顯微術， 對念珠菌侵染巨噬細胞的形態變化進行瞭高分辨成像及分析，包括對念珠菌逃避 巨噬細胞吞噬等各個階段的細緻觀測，由此擴展瞭對念珠菌侵染巨噬細胞的認識 與理解。Suzuki等[30]采用高速AFM聯閤熒光顯微鏡技術，並特彆采用瞭一種倒 置光學顯微鏡的方式，研究細胞膜的形貌以及膜上發生的事件，重點研究瞭HeLa 和3T3成縴維細胞膜上外泌小泡的動態過程，對瞭解細胞膜上瞬態過程極具 意義。 現在的腫瘤診斷，*後的一個步驟，也是*可靠的手段，就是建立在組織細胞 水平上的病理學檢查。但由於存在著良性、惡性及細絲源判斷不準確等問題，需 要結閤免疫組化等技術。AFM的放大倍數和成像分辨率遠遠高於普通光學顯微 鏡，黯足夠的分辨率檢測細胞結構，如微絨毛、吞噬細胞分泌的泡狀物、裂解的洞 等。利用AFM發現正常細胞與間皮腫瘤及胰腺癌細胞在細胞微絨毛長短、數量、 直徑之間存在顯著差彆，因此，可以揭示腫瘤細胞的特異性納米結構，進而解決腫 瘤診斷的一些難題。另外，近年來也用原子力顯微鏡對細胞的機械性能進行檢測， 以達到區分正常細胞與腫瘤細胞的目的。Kirmse等[31]采用結閤熒光顯微術和 AFM，釀瞭生長在錶麵修飾有I型膠原縴維基質的雲母片上、且細胞膜上錶達 有MT1-MMP蛋白酶的黑色素瘤細胞，包括癌細胞轉移過程中的細胞黏附、牽 引力作用、胞外膠原蛋白水解等各個方麵，展示瞭此癌細胞轉移過程中細胞黏附、 牽引力和膠原蛋白水解之間的相互依關係。Igor Sokolov等[32]利用AFM觀察 發現正常細胞與癌變細胞錶麵特性存在重要差異，一般正常細胞錶麵具有單一長 度的刷狀物，而癌變細胞則有兩種長度的刷狀物，且密度也和正常細胞不同，重要 的是這種差異可能造成正常細胞和癌變細胞對納米微粒産生不同的反應，這將有助於開發齣偵測及殺滅癌細胞的係統。Cross等[33]用AFM測量瞭來自疑似轉移 癌病人的正常細胞和惡性腫瘤細胞的彈性，發現癌細胞要比良性細胞軟70%之 多，正常細胞的彈性模量為（1.94±0.70)kPa，而癌細胞的彈性模量為（0.53±0.10)kPa。因此，有可能通過彈性硬度將癌變細胞和正常細胞區分開來。Li-Sophie Z.Rathje等采用探針尖端固定膠體微球的測量細胞的硬度，並結閤熒光顯微成像等，揭示齣緻癌基因以及一些膜蛋白，如HDAC6，顯著影響癌細胞的 硬度以及遷移能力[108]。可見，癌細胞的機械特性(如硬度、空間形狀等)對腫瘤發 生和擴散等機理的認識非常重要。 除瞭 AFM，掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、掃描電化學顯微鏡(SCEM)等掃 描探針顯微鏡，在細胞觀測與分析等方麵也逐漸發揮起重要的作用。Zweyer等采 用SNOM研究瞭Jurkat和MDAMB453細胞的形貌[34]，Rieti等則結閤AFM和SNOM研究瞭人HaCaT細胞受非電離輻照後形貌及有關生化性質的改變[35] ；此 外，還有一些研究涉及觀測細胞的有絲分裂，原位DNA、RNA的測序，以及觀察細 胞形貌隨時間變化的動力學過程等[35,36]。 掃描電化學顯微鏡(SCEM)是將可做三維運動或掃描的超微電極作為探頭， 插入到觀測對象的電解質溶液中，獲得超微電極電流隨掃描而變化以用於成 像[41]。可用於研究與細胞活性相關的生化反應[42]、細胞膜的通透性[43]、酶活性 的評價[45]等。例如， Beaulieu等使用SCEM對COS7細胞膜進行實時成像觀測， 發現加入刺激藥物可導緻細胞氧化應激明顯增加[44]。 1. 2單細胞檢測與分析技術 細胞是構成生命體的*基本單位，其結構與功能，包括新陳代謝、信號轉導等， 是生命體係中*基本活動的內部原因，對生命整體至關重要。細胞活動也是生命 活動的縮影，不僅體現著生命的多樣性和統一性，更體現著高度的復雜性。傳統的 生物檢測，尤其是細胞檢測，往往通過大量細胞數據進行統計而獲得一個平均值。 然而，基於大量細胞檢測得到的平均數據往往忽略瞭很多單個細胞的信息，例如， 單個細胞即使外觀差異不大，其內部卻可能有很大差異(化學組成差異、特定基因 錶達的多樣性、代謝物或離子濃度差異、對激響應模式的差異等)，即所謂的細胞 的異質性。由此可知，這些單個細胞的信息各不相同，可以分彆研究與理解，並可 能成為檢測、診斷、治療的關鍵信息。 單細胞檢測與分析*早的研究可追溯到20世紀40年代對酶活性的檢測，其 後的發展較為緩慢。直到20世紀八九十年代，隨著微柱相色譜儀、毛細管電泳、 電流分析、熒光技術的齣現，單細胞檢測技術纔得到瞭真正的快速發展。以單個細 胞，特彆是單細胞檢測為細進行的研究，可以獲得反映細胞生理狀態和過程的更 準確、更全麵的信息，可以使人們更好地瞭解細胞群體中某些特殊的細胞功能，更 深入地認識細麵異、細胞間通信、神經遞質及藥物或毒物刺激的生理影響等，有 望用於重大疾病的早期診斷與治療，也成為近年來國內外研究的熱點。 單細胞作為研究對象，具有以下幾個特點：①一般而言，單個細胞尺度在微納 米量級；②細胞胞內組分復雜，很多組分擁有相似的結構、化學性質以及功能等； ③被測組分含量很低，甚至可能在fmol水平;④細胞的化學組分會因外界環境(如 溶液分、溫度、pH)的變化而發生變化。而這些特點對單細胞的檢測與分析提齣 瞭很高的要求，如單細胞操縱手段、分離效率、檢測靈敏度和分析速度等方麵。因 此，要開展單細胞水平的釀，需要研究和開發與單個細胞相匹配、靈敏度高、選擇 性好、可同時測定多種物質、並能給齣良好的定性和定量信息的分析技術。 近來，隨著各種新技術與方法，特彆是科學儀器的快速發展，我們已經可以有 很多手段來檢測並研究單細胞中的各種信息(包括細胞形貌和行為觀、代謝物檢 測、信號及傳導檢測、力學性質測量、光學以及電磁學性質檢測等）。由於單細胞檢 測技術的種類很多，且很多技術交叉或聯用，因此以下將按主要原理分幾類分彆予 以簡介，主要包括先進的光學(顯微^方法、質譜等譜學方法、電化學及電磁探極方 法等。 1.2.1 先進光學方法 光學方法是單細胞檢測中*為常用的，其中，光學顯微鏡(OM)奶曾是細胞研究 中*主要的工具。受限於衍射極限，OM的極限分辨率約200NM ，對於一般的細 胞研究，例如觀察大小與形狀等，基本上滿足要求。因此，普通OM常被用來觀測 細胞的整體形貌、生存發育等。在可見光波段細胞一般較透明，因此也影響OM觀的實際空間分辨力。所以許多觀測也需配以染色等方法，除提高空間分辨外 也可直接突齣某些需要特彆觀測的部分。 實際上，有關OM的研究一直都未停止，並在*近得到瞭快速推進。包括受 激發射損耗(STED)技術[46]在內的超分辨成像技術的快速發展[47]，已有效地突破 瞭衍射極限，分辨率已可達10nm水平，並可對細胞以及亞細胞結構中的分子進行標記和實時示蹤，由此對細胞生物學研究提供瞭許多新視角。這些先進的光學 方法主要包括熒光標記與顯微成像、X射綫顯微鏡以及光學橢圓偏振檢測技術等。 1）熒光標記與顯微成像技術的結閤，使得可用熒光標記需要檢測的成分，由 此細究細胞內需關注對象的吸收、運輸、分布及定位等。使麵標記物主要為有 機熒光染料、熒光蛋白、納米量子點等。其中綠色熒光蛋白（GFP）及其衍生 物[48,49]，近年來受到很大重視，優點是內源性標記，生物相容性好，熒光受環境影響 相對較小。納米量子點的激發光波長與顆粒的尺寸相關，具有穩定性高、熒光壽命 長、激發譜寬、發射譜窄以及可多組分同時檢測等優勢[50，51]。 為瞭更好地揭示細胞內分子水平上的結構及動態特徵，近年來齣現瞭許多提 高分辨率甚至可超*分辨報限的成像技術，如激光共聚焦顯微術(Laser confocal microscopy,LSCM)、多光子激發激光掃描顯微術(multi-photon excitation laser scanning microscopy,MPLSM)、全內反射熒光顯微術（total internal reflection fluorescence microscopy ，TIRFM）等。其中，LSCM是通過去除焦平麵以外的熒光信號，由此提高成像信噪比，並通過對不同焦平麵的掃描，達到很高的縱 嚮分辨能力和層析成像能力，在細胞的超分辨層析成像和三維成像等方麵具有重 要意義。MPLSM[52，53]在激光共聚焦顯微術的基礎上上將原先數毫瓦的激光連續 光，改為峰值功率幾百萬瓦的超短脈衝，由此實現多光子激發過程，即在足夠短的 時間內，通過兩個或多個低能光子激發一個熒光分子發射。不同於激光共聚焦顯 微麵過共輾針孔來排除焦點以外光的辦法，多光子熒光術隻有在焦點處能量很 大的地方纔能産生熒光發射，因此不需要用針孔遮擋即可進行探測，並且還具有細 胞損害小、光漂白小的優點。TIRFM[55，56]是利用全內反射産生的消逝場照明，使 熒光在幾百納米的薄層內被激發，成像的信噪比很高，屬於非掃描成像，大大提高 瞭成像速度。另外，該係統裝置簡單，可與微操縱等技術較方便地結閤，用於更廣 泛地細胞特性研究。 *近，更是齣現瞭-些更新型的熒光顯微技術，主要是通過控製熒光分子的 激發態和激發區域，實現對單分子的探測、定位，以及對細胞內的蛋白質進行更 為精確和詳細的觀察。Stefan W.Hell等提齣瞭可逆飽和熒光躍遷顯微術 (RESOLFT)[56],包括受激發射損耗(STED)[57]和基態損耗(GSD)顯微術等。其 主要原理是采用飽和激發的方法控製熒光分子熒光態與非熒光態之間的轉換，從 而獲得極小區域的熒光發射點，由此成像的分辨率不受光學衍射極限限製。光激活定位顯微鏡(photoactivated localization microscope，PALM)和隨機光學重建顯 微鏡(stochastic optical reconstruction microscope，STORM)[58]則是每次由不同頻率的光分彆控製熒光激發和熒光態恢復，隨機逐個激發熒光光子。在逐個獲取 數微米尺度範圍內所有熒光分子的中心位置，*後經過數據處理得到完整的熒光 圖像[59]。 此外，作為-項快速樹則分析單個細胞多種物理特性的高效技術，流式細胞術 在細胞研究方麵日益發婦十分重要的作用。該技術是將載有細胞的液流通過激 光束，由於標記或未標記的細胞因為大小、密度以及內部結構等會發生相對熒光強 度的變化，因此液流的特性發生改變而導緻散射光或熒光信號的改變，用光電信號 高速采樣係統采集數據，從而實麵細胞多參數的快速、定量分析和分選。特彆是 近年來，隨著相關技術與器件的迅速發展，流式細胞儀已被廣泛用於研究細胞種 類、癌變[60]、凋亡、細胞周期、轉錄、信號轉導[61]以及臨床診斷的很多方麵[62]。 2)基於X射綫的顯微成像與分析技術，具有十分豐富的內涵，在細胞檢測與

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