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改进的pH探针可能有助于癌症治疗

金泽大学纳米生命科学研究所的Yuri Korchev和Yasufumi Takahashi以及伦敦帝国学院的Yanyan Zhang及其同事解释说:“越来越明显的是,酸性的细胞外pH在癌细胞的进程,侵袭性和对治疗的抵抗性中起着至关重要的作用。

”最近在英国,中国,日本和俄罗斯的合作机构。尽管人们越来越认识到直接围绕细胞的pH值作为细胞健康指标的重要性,但迄今为止,用于测量它的技术在灵敏度,可提供的空间分辨率以及对pH变化的响应速度方面仍然受到限制。自然通讯中的报告Zhang,Takahashi和Korchev等人描述了一种纳米移液管pH生物传感器,该传感器对pH值小于0.01个单位敏感,响应时间为2毫秒,空间分辨率为50 nm。

研究人员最初将传感器设计为纳米移液管离子场效应晶体管-栅极控制纳米移液管中的离子流,而不是电子。但是,尽管这解决了有关pH灵敏度和空间分辨率的问题,但由于离子库仑阻塞效应阻碍了离子的扩散速率,因此设备读数仍需花费几秒钟来响应pH的变化。

Zhang,Takahashi和Korchev及其同事现在提出的解决方案是结合两性离子膜以实现更快的响应。通过使用双桶式纳米移液器,仅在其中一个桶中装有膜,研究人员便能够将另一个桶用作扫描离子电导显微镜(SICM),以便同时进行拓扑测量。

该团队在活的癌细胞上测试了该设备,并展示了该设备如何从缺乏雌激素的侵入性乳腺癌表型中吸收细胞外pH的增加。他们还可以检测光合作用中无机碳的吸收导致暴露于阳光的藻类的pH值变化,以及从高分辨率pH图中确定侵袭性黑素瘤细胞的异质性。

他们总结说,他们的工具强调了其工具允许的实时反馈控制的细胞外pH值的动态3D动态映射,以及可以检测到“无标记且亚细胞分辨率的”癌细胞的异质性,“该方法可以帮助癌症诊断,预后,以及评估酸性pHe [细胞外pH]靶向疗法。”

[背景]

先前技术的局限性

目前,最常用的pH探针基于微电极,与细胞外pH研究中感兴趣的pH波动范围相比,微电极的体积很大。已经基于分子荧光的变化,核磁共振成像和正电子发射计算机断层扫描技术进行了选择。但是,监测荧光容易受到背景噪声和光漂白的影响,其他技术的空间分辨率较差,并且由于其基于组织内探针的分布,因此在定量方面存在困难。

通过使用纳米吸管作为离子场效应晶体管,研究人员得以克服了限制现有技术的大多数问题。但是,相互排斥的电荷会导致库仑阻塞效应,从而开始抑制带正电荷的质子化水分子在纳米移液器中的扩散,从而减慢了响应时间。

两性离子膜

两性离子是包含带相反电荷的官能团的不带电荷的分子。对于纳米移液器中的两性离子膜,研究人员使用聚-1-赖氨酸(PLL)和葡萄糖氧化酶(GOx)自组装水凝胶,这在成本和稳定性方面均具有优势。PLL具有带正电的季胺基,而GOx具有带负电的羧酸残基。然后,戊二醛蒸气的存在可以使所得的PLL / GOx水凝胶交联。

在中性pH下,两性离子膜同时具有带正电荷和负电荷的官能团,但在低pH条件下,正胺基占优势,因此负阴离子优先通过膜扩散,从而避免了离子对库仑的阻塞。

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