国家重大科学研究计划项目“生物医学纳米材料对细胞作用的研究”工作进展与讨论

纳米材料与细胞作用的方法学研究

南京大学 朱俊杰 教授


1. 微流控芯片装置中应用量子点探针分析悬浮性肿瘤细胞凋亡用于药物筛选的研究

朱俊杰课题组报道了一种在微流控装置中能够有效评估抗肿瘤药物及其药效的新方法,该方法应用膜联蛋白V(Annexin V)修饰的量子点作为细胞凋亡检测探针结合微流控芯片装置使细胞凋亡检测和药物效果评估变得快速、简单、有效。该芯片装置采用印刷电路模板(PCB)复制的方法一步制成,其集成了浓度梯度的产生和悬浮细胞的固定培养两部分结构。在该芯片结构中,悬浮的白血病HL-60细胞通过一个合适侧向压力而被恰当地固定在沙袋型微拦坝上来培养。Annexin V 功能化的量子点能够很好的结合在凋亡细胞的表面从而能够方便地在单细胞水平上区分凋亡细胞和非凋亡细胞。

Fig. (a) Schematic drawing of microfluidic device with integrated gradient generator and cell trapping sand-bag dam structures, bottom sketch shows the geometry of the cell culture chambers. (b) A schematic drawing shows how the cells were hydrodynamically trapped on the sand-bag structure dam by a lateral pressure. (c) Schematic drawing depicts the detection of apoptotic cells immobilized on dam structures using the Annexin V conjugated quantum dots.

Fig. Analysis cell apoptosis in microfluidic device after anticancer drug treatment and Qdots staining.

较之之前报道的方法,由于采用微流控芯片装置,量子点对凋亡细胞检测的孵育时间从1小时左右缩短到5分钟。该方法对三种模式抗肿瘤药物抗癌效果的评估在细胞群体性和单细胞的动力学水平都有良好表现。该方法将基于量子点的体外细胞成像与微流体系中单个细胞凋亡的分析很好地结合起来,提供了一种简单、易操作的临床抗癌药物的筛选手段。
Liang Zhao, Peng Cheng, Jianxin Li, Yue Zhang, Miaomiao Gu, Jun Liu, Jianrong Zhang, Jun-Jie Zhu. Analysis of nonadherent apoptotic cells by a quantum dots probe in a microfluidic device for drug screening. Anal. Chem.2009,81,7075-7080.

2. 基于三维有序大孔离子液体掺杂聚苯胺膜免疫传感器的构建

该研究组以二氧化硅小球为牺牲模板,用电聚合的方法制备了掺杂了1-丁基-3-甲基四氟化硼咪唑盐(BMIm+PF4-)的三维有序大孔(3DOM)聚苯胺反蛋白石膜修饰电极(IL-PANI)。并用它构建了一种新颖的电化学阻抗(EIS)传感器来检测乙肝表面抗原(HBsAg)的浓度。该种HBsAg免疫传感器对HBsAg有高灵敏度的响应,检出限低至0.001 pg mL-1。用这种方法测定的实际血清样本中的HBsAg浓度与临床现用的免疫比浊法测定的结果十分一致。这种材料在临床诊断方面所具有的多功能性、实用性和便利性,使其将来还可以应用于其它的生物体系。
Xing-Hua Li, Lin Dai, Yan Liu, Xiao-Jun Chen, Wei Yan, Li-Ping Jiang,Jun-Jie Zhu., Ionic-liquid-doped polyaniline inverse opals: preparation, characterization, and application for the electrochemical impedance immunoassay of hepatitis B surface antigen. Adv. Funct. Mater., 2009, 19, 3120-3128.

电极组装及免疫分析测定过程示意图

三维有序大孔(3DOM)IL-PANI反蛋白石膜的SEM图像及其用于HBsAg免疫测定的EIS曲线和线性关系图

3. CdSe量子点与碳纳米管复合物的增强电致化学发光与免疫传感

负电性的CdSe量子点与表面修饰带正电的碳纳米管(CNT)形成复合物并修饰到金电极表面,当聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐(PDDA)组装到CdSe-CNT复合物膜上后,修饰电极的电致化学发光(ECL)强度显著增强,基此该课题组研制了一种非标记型电化学发光免疫传感器,对人的免疫球蛋白(HIgG)进行灵敏的检测。该免疫传感器ECL强度与HIgG浓度在一定范围内成线性关系,可以用于检测HIgG。检测的线性范围为0.002-500 ng mL-1,检测限为0.6 pg mL-1。该ECL免疫传感器简单、灵敏、响应速度快,具有良好的重现性和稳定性,在生物分析和临床检测中具有潜在的应用价值。
Guifen Jie, Lingling Li, Chao Chen, Jie Xuan, Jun-Jie Zhu., Enhanced electrochemiluminescence of CdSe quantum dots composited with CNTs and PDDA for sensitive immunoassay., Biosens. Bioelectron. 2009, 24, 3352-3358.

Fig. The fabrication procedures for CdSe QDs-CNTs conjugates (A), and the ECL immunosensor (B).

Fig. Representative SEM images of (A) CdSe-CNTs/PDDA, (B) (A)+GNPs, (C) (B)+Ab; (D)Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of (a) bare. (b) CdSeQDs-CNTs/PDDA, (c) CdSe QDs-CNTs/PDDA/GNPs, (d) CdSe QDs-CNTs/PDDA/GNPs/Ab modified Au electrodes in 10mM PBS (2.5mM Fe(CN)64-/3-+ 0.1M KCl, pH 7.4).

Fig. (A) ECL profiles of the immunosensor in the absence (a) and presence (b-g) of different concentrations of Ag in pH 7.4 PBS containing 0.1M KCl and 0.1M K2S2O8. Ag concentration (ngmL-1): (a) 0, (b) 0.002, (c) 0.02, (d) 0.2, (e) 2, (f) 20, (g) 200 (the voltage of the photomultiplier tube was set at 600V). (B) Calibration curve for Ag determination.