試論原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、試論原子力顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用摘要：本文從原子力顯微鏡的事情原理、原子力顯微鏡的應(yīng)用、AF在染色體研究方面的盼望、預(yù)測(cè)四個(gè)方面舉行了簡(jiǎn)述。關(guān)鍵詞：原子力顯微鏡生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用1原子力顯微鏡事情原理原子力顯微鏡Atifreirspy，AF是一種以物理學(xué)原理為底子，通過(guò)掃描探針與樣品外貌原子彼此作用而成像的新型外貌闡發(fā)儀器。它屬于繼光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡之后的第三代顯微鏡。AF通常利用一個(gè)很尖的探針對(duì)樣品掃描，探針結(jié)實(shí)在對(duì)探針與樣品外貌作用力極敏感的微懸臂上。懸臂受力偏折會(huì)引起由激光源發(fā)出的激光束經(jīng)懸臂反射后產(chǎn)生位移。檢測(cè)器擔(dān)當(dāng)反射光，末了擔(dān)當(dāng)信號(hào)顛末盤算機(jī)體系網(wǎng)羅、處置懲罰、形成樣品外貌形貌圖像

2、。早期研制的為打仗式原子力顯微鏡，它包羅恒力形式和恒高形式。前者利用反射光位移引起的光電二極管輸出電壓的變革構(gòu)成反響回路操縱壓電陶瓷管伸縮，從而調(diào)治結(jié)實(shí)于掃描器上樣品的位置，保持樣品和探針間作用力懸臂彎曲度穩(wěn)定，丈量每一點(diǎn)高度的變革。后者保持樣品和探針間的間隔穩(wěn)定，丈量每一點(diǎn)作用力的大校這種形式在調(diào)治探針與樣品間隔前即可直接不雅測(cè)懸臂彎曲度的改變。除傳統(tǒng)的打仗式之外，1993年又研制出小扣式原子力顯微鏡。該顯微鏡在掃描歷程中探針與樣品外貌輕輕打仗，懸臂受存在于兩者間的排擠力作用隨樣品外貌升沉產(chǎn)生高頻振顫。由于探針與樣品的打仗短暫，因此它更實(shí)用于質(zhì)地脆或結(jié)實(shí)不牢的樣品1。2原子力顯微鏡的應(yīng)用在A

3、F誕生最初的一段時(shí)間重要應(yīng)用于電化學(xué)、質(zhì)料科學(xué)等范疇。近些年，人們漸漸探究著運(yùn)用AF對(duì)生物樣品舉行納米程度的不雅測(cè)及顯微操縱等。與別的顯微鏡比擬，AF的納米量級(jí)的高空間區(qū)分率尤為突出，橫向區(qū)分率可達(dá)0.10.2n，縱向區(qū)分率高達(dá)0.01n。別的，它不單可以或許對(duì)生理狀態(tài)下的樣品成像，而且可以及時(shí)動(dòng)態(tài)地研究樣品布局和成效的干系。故而，AF成為納米尺度上研究物質(zhì)布局、特性和彼此作用的有力本領(lǐng)。以下重要對(duì)這項(xiàng)納米技能在生物醫(yī)學(xué)研究范疇中獲得了明顯的效果作一綜述。2.1形態(tài)布局作為新興的形態(tài)構(gòu)造成像技能，AF實(shí)現(xiàn)了對(duì)靠近天然生理?xiàng)l件下生物樣品的不雅察。這重要由于它具備以下幾個(gè)特點(diǎn):1與掃描電鏡和透射電

4、鏡這些高區(qū)分的不雅測(cè)技能比擬，樣品制備歷程輕便，可以不需染色、包埋、電鍍、電子束的照耀等處置懲罰歷程;2除對(duì)大氣中枯燥結(jié)實(shí)后樣品的不雅察外，還能對(duì)液體中樣品成像;3可以根據(jù)不雅察者的要求，調(diào)治樣品所處的溫度、濕度、大氣、真空等不雅察條件。如今，AF已普及地應(yīng)用于細(xì)胞及卵白、多糖、核酸等生物大分子布局的研究中。對(duì)一個(gè)細(xì)胞而言，AF不單可以或許提供長(zhǎng)度、寬度、高度等形態(tài)方面的信息，還可以滿意人們對(duì)膜上的離子通道、絲狀偽足、細(xì)胞間毗連等渺小布局的研究2，3，乃至還可明晰地不雅察到膜身的骨架布局4。后者對(duì)細(xì)胞外貌與外貌下布局彼此作用的進(jìn)一步研究非常有利。Qian5等利用AF對(duì)酵母的熱休克卵白Sis1與

5、Ssa1舉行不雅察，創(chuàng)造只有Ssa1的lid區(qū)一端與Sis1縮氨酸結(jié)合區(qū)作用，而且Sis1二聚體的縮氨酸結(jié)合區(qū)出現(xiàn)較高程度的凹槽布局，這有助于闡發(fā)卵白彼此作用機(jī)制及其在卵白折疊、組裝、落解、轉(zhuǎn)移中的緊張作用。定的生理生化反響會(huì)引起生物樣品空間布局的變革。利用AF對(duì)這些變革的不雅察，為細(xì)胞布局及布局調(diào)治的生理意義等研究提供更多有代價(jià)的信息。比方Liu6等將大麥的中期染色體經(jīng)嚴(yán)酷點(diǎn)枯燥、2Nal處置懲罰后提取出2種非組卵白。通過(guò)AF在納米程度表現(xiàn)提取卵白后染色體的三維布局，創(chuàng)造處置懲罰后的染色體產(chǎn)生以下變革:高度低落同時(shí)外貌較前粗糙。又如:Sit7將纖維卵白原結(jié)實(shí)在3種差異基底外貌，研究樣品產(chǎn)生的

6、布局變革。由AF的三維定量闡發(fā)表現(xiàn)纖維卵白原根據(jù)ia2.2力學(xué)特性由于利用AF可對(duì)掃描各點(diǎn)高度及作用力的丈量，這就意味著我們不但可以獵取生物樣品的外貌形態(tài)和三維布局，還可以得到其外貌硬度、粘彈性、摩擦力等力學(xué)特性的外貌圖譜10。比方AF在掃描樣品時(shí)，探針尖端作用樣品可使樣品產(chǎn)生可丈量的凹陷。當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變力成線性干系時(shí)，樣品產(chǎn)生的變形屬?gòu)椥宰兏?，即消除力時(shí)樣品可恢回復(fù)有形態(tài)。我們利用凹陷的深度數(shù)據(jù)就可以或許獵取有關(guān)樣品局部的彈性信息。Alaraz11等利用AF丈量支氣管上皮和肺泡上皮細(xì)胞在差異負(fù)荷力和作用頻率下的復(fù)剪切彈性系數(shù)，不雅察其變革紀(jì)律。在樣品外貌性能丈量中，應(yīng)該思量到探針大概同時(shí)會(huì)受到

7、其他作用而影響實(shí)行數(shù)據(jù)。在該實(shí)行中作者就針對(duì)溶液粘性牽拉力及與樣品打仗的探針多少外形引起的缺點(diǎn)予以校正，使丈量效果更正確。2.3分子間力將很高的空間區(qū)分率與敏感且正確的力學(xué)感到性相結(jié)合，是AF的一個(gè)極為明顯的特點(diǎn)。通過(guò)將探針毗連在彈性系數(shù)很小的懸臂上，AF對(duì)力的丈量敏感性可到達(dá)pn程度。到如今為止，AF已經(jīng)普及地運(yùn)用于丈量溶液中生物分子間彼此作用如與生物反響有關(guān)的水協(xié)力的研究12。利用這些研究效果另有助于對(duì)生物分子布局和機(jī)器性能舉行闡發(fā)。比方，卵白質(zhì)依賴多種非共價(jià)作用而保持其布局穩(wěn)定，通過(guò)機(jī)器或化學(xué)的要領(lǐng)將卵白舒展后，可以利用AF直接丈量穩(wěn)定卵白布局的作用力，并進(jìn)一步探究這些力對(duì)卵白布局的影響

8、。近幾年AF對(duì)肌卵白titin的去折疊研究獲得的明顯效果即有力地說(shuō)明白這一點(diǎn)13別的，AF還可以或許丈量單個(gè)分子間薄弱的非共價(jià)力。比方丈量受體-配體的去結(jié)協(xié)力，假設(shè)受體結(jié)實(shí)在基底外貌的話，那么將與之對(duì)應(yīng)的配體結(jié)實(shí)于探針外貌，使探針成效化。隨探針-樣品的間隔漸漸縮小，懸臂受探體-樣品間吸引或排擠力的作用向靠近或闊別樣品的標(biāo)的目的偏折，懸臂偏折的最大幅度反響分散精細(xì)結(jié)合兩分子所需的力。在丈量中，有大概會(huì)受到探針與外貌的非特異性彼此作用的滋擾14。因此，有需要認(rèn)真地選擇比擬實(shí)行包羅利用未成效化探針;或基底所處的溶液中利用游離的配體關(guān)閉受體;調(diào)治溶液的離子強(qiáng)度或pH，低落靜電力的干預(yù)15。除此之外，探

9、針另有大概受溶液粘性牽拉力作用，使撤離速率減慢至記載數(shù)據(jù)低于現(xiàn)實(shí)的作用力。2.4顯微操縱通過(guò)在納米級(jí)程度調(diào)控探針的位置和施加力，AF可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子舉行物理操縱如切割生物布局，轉(zhuǎn)移分子至特定位置。在必然的范疇調(diào)解施加力，AF在成像的同時(shí)即可對(duì)樣品舉行操縱。施加力的范疇重要由懸臂的力學(xué)常數(shù)和探針粗細(xì)決定。與尺度顯維切割技能比擬，AF對(duì)目的地區(qū)切割、提取等操縱具有更正確的特點(diǎn)。1992年Hansa16利用AF切割遺傳物質(zhì)DNA分子的特定位置，這是人們初次利用AF對(duì)生物分子舉行的可控性納米把持。隨后它在生物膜的切割17、待研究分子的分散18等方面也得到普及的應(yīng)用。3AF在染色體研究方面的盼望AF的

10、高區(qū)分成像和輕便的樣品制備歷程吸引了浩繁學(xué)者利用它對(duì)染色體布局舉行研究。但早期由于鑲嵌于30n卵白質(zhì)層的RNA吸附在染色體的外貌19，同時(shí)鹽、細(xì)胞殘?jiān)劝橥旧w滴片時(shí)吸附于玻片上20，阻礙染色體外貌更渺小的構(gòu)造成像。邇來(lái)隨著染色體制備要領(lǐng)的改進(jìn)和AF成像技能的進(jìn)步，該方面的研究得到進(jìn)一步的生長(zhǎng)。染色體經(jīng)胃卵白酶、RNA酶依次作用后，置于溶液中不雅察，不但去除了外貌的卵白質(zhì)層，而且再次水化后染色體體積增大57倍，可以或許區(qū)分出樣品外貌的染色質(zhì)纖維所形成的環(huán)狀布局19。比來(lái)利用該要領(lǐng)使染色體成像橫向和縱向區(qū)分率別離可到達(dá)1n、0.1n，而且創(chuàng)造染色質(zhì)纖維是由放射狀擺列染色質(zhì)環(huán)與盤繞的螺旋管狀布局

11、配合構(gòu)成21。在G、分帶中期染色體的三維布局不雅察7，染色單體型畸變識(shí)別8，核型闡發(fā)等方面研究的應(yīng)用證明了與光學(xué)顯微鏡、掃描及透射電鏡等成像東西比擬AF具備奇特的上風(fēng):它不但可以或許識(shí)別染色體畸變，同時(shí)可以對(duì)布局變革舉行渺小的不雅察。除正常染色體的布局及外貌性子的研究，AF還對(duì)G分帶染色體形態(tài)產(chǎn)生的一系列變革舉行不雅察。研究創(chuàng)造隨胰卵白酶作用時(shí)間的延伸，染色體除周邊之外的別的布局將漸漸產(chǎn)生崩解22。中期染色體經(jīng)G、分帶會(huì)出現(xiàn)縱向高度的差異23，24，各條帶中染色質(zhì)纖維擺列的松緊度也有所差異25。這些都有助于染色體分帶機(jī)制的闡發(fā)。對(duì)重離子射線誘發(fā)染色體畸變闡發(fā)創(chuàng)造AF不單識(shí)別出染色單體裂隙和單體

12、斷裂，還明晰不雅察到單體型畸變的斷裂點(diǎn)纖維狀布局26。這證明了AF是輻射誘發(fā)染色體畸變的布局研究中非常有效的東西?？梢?，AF已在染色體布局、物理性子等方面研究得到很大的盼望。別的，作為一種納米把持東西，AF還被用于納米切割染色體，提取DNA制作FISH實(shí)行的探針等27。在亞細(xì)胞程度布局研究的底子上，發(fā)揮AF毗連亞細(xì)胞布局、分子程度研究的橋梁作用，它有大概在基因定位和成效研究等方面得到進(jìn)一步的應(yīng)用與生長(zhǎng)。綜上，依附它對(duì)染色體納米量極的成像和顯微把持，AF有盼望成為結(jié)合細(xì)胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)的有力東西。4預(yù)測(cè)1986年，AF作為一種新的成像技能被研制樂成。在之后短短的十余年里它由原有的納米程度單分子成像，漸漸擴(kuò)展到外貌成效的研究，分子間力的丈量，可控性分子操縱等多個(gè)范疇。固然，不容無(wú)視，在上述的AF多種應(yīng)用中仍