仿生嗅覺細胞及受體傳感器的研究.pdf

1、生物嗅覺系統(tǒng)可以分辨和識別成千上萬種不同的氣味分子，具有很高的靈敏度和特異性。隨著嗅覺機理研究的不斷深入以及現(xiàn)代生物醫(yī)學傳感技術的不斷進步，人們模仿嗅覺感知氣味的機理，以生物活性材料作為敏感元件，耦合各種二級換能器，構建了多種仿生嗅覺傳感器。由于引入了嗅覺受體神經元、天然或異源表達的嗅覺受體蛋白等生物活性材料作為敏感元件，仿生嗅覺傳感器獲得了部分生物嗅覺系統(tǒng)具有的優(yōu)點，比如靈敏度高、檢測限低、選擇性好等，可以廣泛應用于生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測

2、、藥物開發(fā)、食品和水質控制等諸多領域，具有廣闊的應用前景以及商業(yè)開發(fā)潛力。
　　 目前，仿生嗅覺傳感器的研究在生物、電子、信息、材料等多種學科和技術進步的推動下取得了較快進展，并展現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿?。但是，該研究也面臨許多困難，比如如何獲得嗅覺相關生物活性材料并驗證其功能，如何高通量、多參數、實時地監(jiān)測生物活性材料對特異刺激的響應，以及如何進一步提高傳感器的靈敏度和特異性以拓展其實際應用的領域?；诖耍菊撐脑诩毎头肿铀缴蠘?/p>

3、建新型仿生嗅覺傳感器，并對傳感器的性能及其在生物醫(yī)學中的應用進行了較深入的研究。首先，在細胞水平上，以嗅覺受體神經元(olfactorysensory neurons，OSNs)作為敏感元件，以光尋址電位傳感器(light-addressablepotenTiO2etric sensor,LAPS)作為二級傳感器，構建了一種可用于嗅覺傳導機理研究的單細胞傳感器。其次，在分子水平上，采用基因工程的方法把線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10表達于異

4、源細胞系-人胚胎腎(HEK-293)細胞的質膜上，以質量敏感型器件石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)鑒定嗅覺受體蛋白識別氣味的功能。為了獲得可以穩(wěn)定表達嗅覺受體蛋白ODR-10的細胞系，本文對ODR-10在人乳腺癌細胞MCF-7的表達做了初步研究，并以含有異源表達的嗅覺受體蛋白ODR-1O的細胞質膜作為敏感元件，聲表面波(surface acoustic wave,SAW)器件作為二級傳感器

5、，構建了基于嗅覺受體的新型氣敏生物傳感器。最后結合現(xiàn)代微型化技術，對生物微機電系統(tǒng)以及微流控芯片在構建仿生嗅覺傳感器方面的應用做了一些初步探討。
　　 本論文的主要內容和貢獻在于：
　　 1.在LAPS單細胞傳感器的基礎上，把嗅覺信號在嗅覺受體神經元內的傳導機理應用于仿生嗅覺傳感器的研究，利用MDL12330A對嗅覺信號胞內傳導通路的抑制作用，證實LAPS芯片記錄到的電信號來源于與其表面耦合的嗅覺受體神經元對氣味刺激的響

6、應，同時也提示這種仿生嗅覺傳感器可以應用于嗅覺信號傳導機理的研究。
　　 2.提出一種利用增強劑提高基于嗅覺受體神經元的LAPS單細胞傳感器靈敏度的方法。利用LY294002對嗅覺信號傳導通路的增強效應，提高嗅覺受體神經元對特異刺激的響應，進而提高傳感器的靈敏度。實驗結果表明，利用LY294002的增強效應，可以將LAPS單細胞傳感器的靈敏度提高約1.5倍，并且提示這種方法也可以應用到其它基于細胞膜電位監(jiān)測的仿生嗅覺傳感器中，比

7、如基于場效應晶體管(field effect transistor,FET)、微電極陣列(microelectrodearray,MEA)的仿生嗅覺傳感器。
　　 3.利用基因工程技術，把線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10功能性表達于異源細胞系統(tǒng)-人胚胎腎細胞HEK-293細胞的質膜上，分析ODR-10在異源細胞系統(tǒng)中的表達情況及其亞細胞定位，并用QCM器件鑒定其識別特異氣味的功能。結果表明這種異源表達的嗅覺受體蛋白ODR-10仍然具

8、有特異性識別其天然配體丁二酮的功能，適合作為敏感元件用于構建基于嗅覺受體的仿生嗅覺傳感器。
　　 4.獲得可以穩(wěn)定表達線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10的MCF-7細胞系，利用測定胞內鈣離子濃度的方法證實其識別氣味的功能，并以含有ODR-10的細胞質膜作為敏感元件，SAW器件作為二級傳感器構建基于SAW器件的氣敏傳感器。結果表明這種由嗅覺受體蛋白和SAW器件構成的復合系統(tǒng)可以有效監(jiān)測嗅覺受體與氣味分子的相互作用，實現(xiàn)傳感器對特異性氣味