細胞表面分子修飾與組裝及生化分析

劉 萍,張亞坤

(鄭州工業應用技術學院,鄭州 450064)

在研究細胞表面的分子修飾與組裝時需了解其基本內涵,進行生化分析,以進一步提升研究效果,為現代細胞工程學的發展提供有力支持。

1 細胞表面分子修飾組裝

細胞表面分子修飾與組裝主要通過調節膜蛋白動態及特異性的方式來實現,以達到良好的細胞交流效果,使其能夠對微環境變化做出積極響應,這是多細胞生物生命構成的重要基礎,是生物工程技術領域的研究重點,多采用表面定量與成像技術對表面分子修飾及組裝進行生化分析[1]。目前,人們對細胞表面的分子含量、功能及其分布情況等都有了深入了解,并將各種新的分子修飾與組裝方法應用于生物傳感及醫療診斷中。

細胞表面分子修飾與組裝方法主要包括非特異性修飾組裝和特異性修飾組裝。其中,非特異性分子修飾與組裝方法的基本原理是借助共價作用、靜電作用、極性插入及輸水作用等對細胞表面分子進行處理;特異性分子修飾與組裝方法的基本原理是借助代謝、酶修飾及遺傳等方法對細胞表面分子位點實施特異性生物正交處理。需根據不同修飾組裝方法的基本原理結合生物細胞處理需求,選擇合理的措施進行表面分子修飾與組裝處理,以滿足生物細胞表面分析與處理需求。圖1是基于非特異性(左)與特異性(右)處理方法的細胞表面分子修飾與組裝模式。

圖1 基于非特異性(左)與特異性(右)處理方法的細胞表面分子修飾與組裝模式

2 細胞表面分子修飾與組裝的生化分析

細胞表面分子修飾與組裝方法主要有3種,即DNA分子修飾與組裝、仿生修飾與組裝、傳感界面分子修飾與組裝,對其進行生化分析如下：

2.1 DNA分子修飾組裝與生化分析

在對細胞表面分子進行修飾與表達的生化分析時,由于DNA是以自身堿基互補配對為基礎的分子結構,具有可編程性及可預測性特征,故DNA分子是研究中的重要工具。DNA分子修飾與組裝的主要生化分析及研究方向如下：

分析細胞蛋白。可將核酸擴增模式下的原位分析法引入其中,精準進行細胞膜蛋白定量。基于DNA分子的細胞原位級聯信號放大技術是典型的技術形式,技術處理流程是進行原位標記,再進行滾環擴增及循環放大,其中第一輪擴增產物可作為第二輪信號放大的模板[2]。通過這樣的方式使需要級聯處理的核酸原位實現等溫擴增,顯著增強細胞表面上的膜蛋白定量信號,科學獲取細胞表面對各類疾病蛋白的具體表達量信息,實現各類腫瘤分子細胞的合理分型。

監測細胞通信。將結構獨特的DNA探針設計在細胞界面上,通過細胞表面上的分子修飾與組裝來監測細胞通信。通過Mg2+將DNA核酶激活,實現DNA探針的設計,再將其裝飾在細胞表面上,借助探針對細胞表面的M2+信號進行監測。目前,此方法已實現間充質干細胞表面血小板生長因子適配體的有效修飾,從而為細胞工程改造提供有力支持。

分析循環腫瘤細胞。在液體活檢中最受關注的是功能生物標志物從原發部位脫落并進入血液循環系統中的循環腫瘤細胞。應用DNA分子識別技術與擴增技術可對此種細胞膜上的標志蛋白做出定量分析,實現腫瘤細胞轉移情況的精確檢測與鑒定,對于腫瘤的早期發現及腫瘤患者化療方案的個體化制定具有重要的參考意義。

2.2 仿生修飾組裝與生化分析

細胞表面離子通道、細胞凋亡及腫瘤細胞分型分期鑒定是仿生修飾組裝最為典型的方法。仿生修飾組裝方法的生化分析如下：細胞表面離子通道仿生修飾與組裝。離子通道是細胞表面上的一種重要膜蛋白結構,主要功能是對細胞內部和外部的分子運輸加以控制,使細胞的生命活動保持正常。目前,離子通道的仿生修飾與組裝研究取得了較好的進展。如視網膜感光細胞借助光敏色素視紫紅質來轉導光信號,視紫紅質的主要組成是視黃醛與視蛋白,其中視黃醛分子構象會在光引發作用下發生變化,改變細胞膜電位,形成感應電流。可通過偶氮苯及氧化石墨烯DNA之間的相互作用將一種視紫紅質仿生離子門控構建在陽極氧化鋁薄膜的電極表面。在此過程中,DNA可在波長不同的光照條件下形成與氧化石墨烯具有不同結合能力的雙鏈或單鏈結構,從而使離子門控的開關達到可逆化效果[3]。圖2是偶氮苯與石墨烯DNA相互作用模式下的離子門控通道仿生修飾組裝。

圖2 偶氮苯與石墨烯DNA相互作用模式下的離子門控通道仿生修飾組裝

細胞凋亡仿生修飾與組裝。細胞凋亡屬于一種保守且不可逆的細胞程序性死亡。關于細胞凋亡的仿生修飾與組裝研究取得了明顯的成效。如雙響應DNA納米器件,其是細胞凋亡仿生修飾與組裝中的重要器件,可通過寡核苷酸識別細胞中的凋亡信號分子,將其修飾組裝在金納米顆粒上,以實現凋亡信號分子受體系統的科學集成與模擬,令活細胞中的凋亡信號通路實現高效成像。此方法有利于細胞凋亡的分析模型建立及動態監測。

腫瘤細胞分型分期鑒定。腫瘤細胞分型分期鑒定是腫瘤患者治療方案確定及預后效果評估的重要措施。鑒定中,可通過DNA對金納米顆粒進行修飾處理,將其與氧化石墨烯相結合,共同構建一種特殊形式的比色傳感陣列。經DNA修飾處理的金納米顆粒與氧化石墨烯表面上都有豐富的化學基團,這些化學基團可與分析物質產生各種特異性識別及非特異性識別作用。借助金納米顆粒的光色特征可對一些腫瘤分型及分期做出準確鑒定。此技術已在非小細胞肺癌亞型中的肺鱗癌與肺腺癌快速分期鑒定中得到了廣泛應用,表現出了非常高的鑒定精度。圖3為基于DNA修飾金納米顆粒與氧化石墨烯比色傳感陣列的肺癌腫瘤細胞分型及分期。

圖3 基于DNA修飾金納米顆粒與氧化石墨烯比色傳感陣列的肺癌腫瘤細胞分型及分期

2.3 傳感界面分子修飾組裝與生化分析

在細胞的整個生命周期中大多數的生理活動都會有定向形式的電荷傳遞或電荷轉移情況發生,因此電化學分析成為了細胞工程學領域中的重點研究內容。近年來,細胞傳感界面分子修飾與組裝技術在電化學傳感領域中得到了廣泛應用,并在電化學技術模式下逐漸成為一種新的細胞分析方法。很多學者對其進行深入研究,嘗試將具備生物識別能力的分子設置在細胞傳感界面上,對其表面分子結構進行模擬,從而對納米尺度的生物分子進行識別,使其與傳感界面之間達到良好的協同作用。如在細胞傳感器界面上的DNA分子納米結構修飾與與組裝中將DNA網絡結構建立在細胞表面,并將一些功能元件或識別分子引入其中,檢測腫瘤細胞,對細胞捕獲與釋放加以控制[4]。考慮到腫瘤細胞是一種特異性存在,可將DNA分子作為基礎,將相應的邏輯門運算建立在細胞膜表面上,對腫瘤標志物做出合理的聯合檢測。目前,聯合檢測技術在乳腺癌細胞檢測中得到了廣泛應用,應用效果突出。此外,多肽具備非常好的生物活性與自組裝性能,在細胞傳感界面分子修飾與組裝中可將其用作界面材料,通過各類轉肽酶、蛋白酶的活性變化將其轉變成卷曲螺旋多肽互補配對及解離等形式,達到顯著的構象變化效果,借助此種構象變化實現多肽與金屬離子之間配位作用的有效控制。通過這樣的方式使多肽中的酶活性變化轉變成過渡金屬離子催化過程中放大化學級聯的反應,使產生的生物傳感信號更加靈敏。通過這些細胞界面傳感方式的合理應用為細胞表面分子的特定功能及多維度分析提供更多的技術選擇與參考依據。可將這些方法應用于各類腫瘤細胞相關的蛋白分析中,為科學診斷與預后效果的合理評估提供科學、先進的技術支持。

3 結束語

細胞工程學是生物和醫療領域中的基本學科,對現代生物與醫療發展具有重要的影響。細胞表面分子修飾組裝與生化分析是細胞工程學研究中不可或缺的重要組成。為促進其在生物醫療領域中的良好應用需充分了解其基本原理,以此為依據,結合細胞工程學研究目標,對表面分子修飾與組裝技術進行合理選擇及應用,對其應用效果進行合理的生化分析,充分發揮分子修飾與組裝技術的應用優勢,使其在細胞表面分子處理中得到廣泛應用。