基于可視陣列傳感對細胞代謝過程的研究.pdf

1、細胞代謝產(chǎn)物與細胞生命活動過程密切相關，可以準確的反應細胞生理病理狀態(tài)。與基因或者蛋白質(zhì)相比，細胞間信號轉(zhuǎn)導、能量傳遞等細胞內(nèi)生命過程多發(fā)生在代謝層面，通過細胞代謝產(chǎn)物進行調(diào)控。對細胞代謝產(chǎn)物中的生物分子定性定量檢測，并尋找細胞微量代謝物與生理病理變化的對應關系，對于醫(yī)學診斷具有相當重要的作用。目前，在生物分子及生物體系狀態(tài)的檢測中常用的方法是大型儀器檢測，大型儀器雖然保證了檢測的準確率，卻帶來了高額的檢測費用和低下的檢測效率；電子鼻/

2、舌等新興技術雖然在構(gòu)建原理和加工制備等方面已較為完善，但是由于敏感材料的選擇性和穩(wěn)定性問題也無法廣泛應用于實際檢測中。本研究立足于開發(fā)一種新型可視陣列傳感器系統(tǒng)，以實現(xiàn)對生物分子及生物體系狀態(tài)的快速檢測。
　　 可視化傳感陣列是通過模擬哺乳動物味覺/嗅覺識別過程，將多種具有一定特異性和敏感性的廣譜識別材料作為敏感單元，以目標混合物作為獨立樣本進行分析，獲取其特征指紋，并利用模式識別算法實現(xiàn)對目標物質(zhì)的特異性識別與鑒定，在混合物檢

3、測方面具有獨特的優(yōu)勢。其中，卟啉及其衍生物因其良好的生物相容性和光敏性能成為彩色可視傳感器研究熱點之一，以其作為傳感元件具有靈敏度高，穩(wěn)定性好，易于修飾改性等特點。本研究以卟啉及其衍生物作為敏感材料構(gòu)建彩色可視化傳感陣列，并應用這種陣列傳感器、對氨基酸、蛋白質(zhì)及細胞代謝產(chǎn)物的檢測，可以實現(xiàn)對正常細胞和病理細胞代謝周期的特異性檢測，有望為藥物的體外篩選提供有效平臺。所完成的主要工作和結(jié)論如下：
　　 1.完成了卟啉可視陣列傳感器系

4、統(tǒng)材料的合成與篩選
　　 以氨基酸為檢測對象，采用Adler法設計并合成了水溶性磺酸基取代卟啉衍生物(PS1和PS4)以及卟啉金屬衍生物(P1-P5)。通過分析卟啉、卟啉衍生物及指示劑染料與十種氨基酸反應后紫外可見光譜變化，說明卟啉及其衍生物和指示劑染料可以與氨基酸結(jié)合程度不同，對氨基酸具有一定的親和力和選擇性，產(chǎn)生可用于分析的模式信號。并用類似方法篩選得到一個含有36個敏感單元的彩色可視檢測陣列，通過各個傳感受體的交叉響應，用

5、于生物分子的檢測。
　　 2.完成了卟啉可視陣列傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建工作
　　 詳細闡述了卟啉可視陣列傳感器系統(tǒng)構(gòu)建的設計方案及檢測方法，對卟啉可視陣列傳感器系統(tǒng)進行了硬件設計、軟件設計及傳感芯片設計。通過硬件設計實現(xiàn)了傳感芯片反應前后的圖像采集，通過軟件設計實現(xiàn)了反應前后芯片圖像的處理、可視化指紋響應差譜圖的輸出和數(shù)據(jù)的保存。并利用溶膠凝膠法，按照TEOS：水：鹽酸：乙醇：染料(卟啉、卟啉衍生物及pH指示劑)體積比為25:

6、4:3:15:10的比例制備溶膠凝膠溶液，通過毛細管點樣構(gòu)建了一種6×6的傳感陣列，得到了一種對生物分子和生物體系具有識別能力和廣譜識別效果的傳感芯片，為人工舌檢測系統(tǒng)的構(gòu)建奠定基礎。
　　 3.應用構(gòu)建的卟啉可視陣列傳感器系統(tǒng)開展了對生命活動中重要生物分子氨基酸、糖類化合物和蛋白質(zhì)的檢測研究
　　 氨基酸、糖類化合物和蛋白質(zhì)是構(gòu)成生命體的基本物質(zhì)，是細胞代謝的基礎物質(zhì)。利用所構(gòu)建的可視化陣列傳感系統(tǒng)，對十種常見的氨基酸

7、、九種糖類化合物及其混合物以及七種蛋白質(zhì)及混合物和三種熱變性蛋白進行了檢測，獲得了其特異性指紋圖譜。結(jié)合紫外可見光譜和密度泛函理論，從理論分析和化學計算角度分析了卟啉PS1與氨基酸間相互作用機理，表明氨基酸的殘基結(jié)構(gòu)是影響其與卟啉分子間相互作用的關鍵。采用聚類分析(HCA)、主成分分析(PCA)以及判別分析(LDA)等模式識別方法對彩色陣列的RGB分析結(jié)果顯示。分析結(jié)果顯示，本文構(gòu)建的可視陣列傳感器系統(tǒng)能夠顯著的區(qū)別不同的氨基酸，并且反

8、映出不同氨基酸之間的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)差異；通過對糖類化合物及其混合物以及蛋白質(zhì)及其混合體系以及變性蛋白的檢測，結(jié)果表明，可視傳感陣列可以顯示出出幾類糖類化學我和蛋白之間在性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上的真實差異。
　　 4.應用傳感陣列檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了對內(nèi)皮細胞生長周期的鑒別
　　 利用可視化卟啉傳感陣列對人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVEC)培養(yǎng)1-10d的細胞代謝液進行了檢測，檢測結(jié)果數(shù)據(jù)采用聚類分析和主成分分析(PCA)進行了計算和分析，并結(jié)合MT

9、T比色法和紫外可見光譜法對陣列與細胞代謝的響應進行了驗證。實驗結(jié)果顯示，通過陣列響應的可視差圖可以對HUVEC培養(yǎng)1-10d的細胞代謝液進行顯著區(qū)別。聚類分析、主成分分析和判別分析結(jié)果表明，彩色可視傳感陣列能較好的區(qū)分人臍靜脈內(nèi)皮細胞不同培養(yǎng)時間下的生長代謝差異，并具有較好的重復性和可重現(xiàn)性。另外，將陣列指紋圖譜的歐氏距離與紫外可見光譜的峰值點進行綜合分析，表明所構(gòu)建的可視陣列傳感系統(tǒng)在檢測過程中能夠有效捕捉細胞代謝過程中代謝物的特征，

10、在細胞識別、探究細胞生命活動規(guī)律、細胞研究和藥物篩選等領域具有潛在應用價值。
　　 5.基于微流控技術實現(xiàn)對正?；ず筒±砘ぜ毎淖R別與檢測
　　 介紹了微流控芯片的制備加工過程，考察了該體系對細胞分離和培養(yǎng)的效果，并利用可視化傳感器陣列檢測了正?；ぜ毎?NHS)和關節(jié)炎滑膜細胞(RA)培養(yǎng)1-9天的代謝液的變化。HCA和PCA分析的結(jié)果表明彩色可視傳感陣列可以有效辨別不同培養(yǎng)時間下的細胞生長代謝差異。對細胞培養(yǎng)1-