AFM和SNOM等扫描探针显微镜对细胞膜表面及其分子的纳米表征

　　细胞是生物体结构和功能的基本单位,细胞膜是防止外来物质自由进入细胞的屏障,它保证了细胞内环境的相对稳定,使各种生化反应能够有序进行。细胞膜结构及其表面分子和细胞的各种生理功能是密不可分的。细胞的选择性物质运输、生物功能(酶促反应、细胞识别、电子传递)、识别和传递信息功能(糖蛋白)等都由细胞膜结构和相关分子决定,因此研究细胞膜及其表面分子对研究细胞的各种生命活动有着重要的意义。扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜,包括原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)、扫描光子显微镜、扫描磁显微镜、扫描热显微镜和扫描近场光学显微镜 (scanning near-field opticalmicroscope, SNOM)等。虽然SPM才问世约十年,但由于其具有可以得到实时的、真实的样品表面的高分辨图像,对样品无损害,使用条件宽松等优点,它在生物医学领域的巨大应用潜力已展现出来。特别是AFM和SNOM,在生物医学研究领域得到了迅速的应用和推广。本文就AFM和SNOM在对细胞膜及其表面分子进行纳米表征方面作简单的综述。

　　1　AFM在细胞生物医学方面的应用

　　AFM是20世纪末发展起来的一种可以对样品表面形貌进行纳米表征的工具。AFM具有原子级分辨率,可在真空、大气、液体及温控条件下探测,不受样品电导性的影响,因其对样品无损伤,只需对样品作很少的前期处理,所以被广泛应用于生物医学领域。AFM除了能够表征样品的表面形貌、对细胞形貌成像外,还可以对细胞表面分子进行纳米表征,分析细胞表面分子的分布特征及其与功能之间的联系。

　　1. 1　AFM对细胞及其表面纳米结构成像

　　AFM在生物样品研究中具有明显的优势,因为AFM可在空气或者各种近生理条件下直接探测生物样品的表面性貌和结构特征,而且具有极高的成像分辨率,横向分辨率可达0. 1 nm,纵向分辨率可达0. 01 nm。利用AFM可以对细胞高度、直径和体积等进行测量,同时还可以进行超微结构成像,对细胞表面粗糙度进行分析。生物大分子所构筑的细胞表面是细胞与外界环境间进行物质和能量交换的屏障,也是一些物理、化学因素作用于细胞的靶点之所在。利用AFM对细胞表面分子进行成像,在纳米水平上研究细胞表面的形态结构及其受外界环境作用前后的变化,对于认识细胞表面结构和功能之间的关系,全面评价各种药物的药效,从而预防和治疗各种疾病有着重要的意义。

　　各种病变细胞形貌的改变是与细胞功能变化相联系的,如癌细胞,细胞核大小、形状的变化,都可能与癌细胞功能的变化相联系,因此分析细胞表面形貌对诊断和治疗癌症有着重要的依据。Wang等[1]利用AFM研究分析了人子宫癌细胞、肝癌细胞和老鼠神经胶质瘤细胞加药前后细胞形貌和粗糙度的变化,结果显示:随着药物浓度和作用时间增加,所有的细胞有着相同的变化趋势,即细胞表面皱缩程度增加,甚至出现孔洞,细胞粗糙度增加。这对于可视化诊断癌细胞与抗癌药物的相互作用有重要的意义。还有作者利用AFM对细胞超微结构进行扫描,分析细胞表面的粗糙度,研究发现老鼠黑色素瘤细胞的表面比较粗糙,但是经SMAR I-P44多肽处理后,细胞表面变得光滑,用AFM分析表明经SMAR I-P44处理后,细胞骨架体积增加(同时检测到细胞骨架蛋白表达量增加),结果表明:抑癌基因SMAR I是通过调节细胞表面相关蛋白的表达使细胞表面光滑而达到抑癌功能[2]。利用AFM对活细胞成像,可以调节各种扫描参数达到不同的扫描效果。Franz等[3]对成纤维细胞进行成像,用较小的力进行扫描时只能扫描到细胞膜表面,当用相对较大的力进行扫描时可以对细胞膜下面的细胞骨架进行成像,但对于用戊二醛固定的细胞则不能对细胞骨架进行成像,原因是化学固定增加细胞的硬度,使细胞骨架对图像对比性贡献较小。这为研究细胞的迁移提供了重要的依据。