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)測四個方面舉行了簡述。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通常利用一個很尖的探針對樣品掃描，探針結(jié)實在對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。檢測器擔(dān)當(dāng)反射光，末了擔(dān)當(dāng)信號顛末盤算機體系網(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，因此它更實用于質(zhì)地脆或結(jié)實不牢的樣品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，人們漸漸探究著運用AF對生物樣品舉行納米程度的不雅測及顯微操縱等。與別的顯微鏡比擬，AF的納米量級的高空間區(qū)分率尤為突出，橫向區(qū)分率可達0.10.2n，縱向區(qū)分率高達0.01n。別的，它不單可以或許對生理狀態(tài)下的樣品成像，而且可以及時動態(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)。以下重要對這項納米技能在生物醫(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實現(xiàn)了對靠近天然生理條件下生物樣品的不雅察。這重要由于它具備以下幾個特點:1與掃描電鏡和透射電

4、鏡這些高區(qū)分的不雅測技能比擬，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除對大氣中枯燥結(jié)實后樣品的不雅察外，還能對液體中樣品成像;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)用于細胞及卵白、多糖、核酸等生物大分子布局的研究中。對一個細胞而言，AF不單可以或許提供長度、寬度、高度等形態(tài)方面的信息，還可以滿意人們對膜上的離子通道、絲狀偽足、細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。后者對細胞外貌與外貌下布局彼此作用的進一步研究非常有利。Qian5等利用AF對酵母的熱休克卵白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引起生物樣品空間布局的變革。利用AF對這些變革的不雅察，為細胞布局及布局調(diào)治的生理意義等研究提供更多有代價的信息。比方Liu6等將大麥的中期染色體經(jīng)嚴酷點枯燥、2Nal處置懲罰后提取出2種非組卵白。通過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:高度低落同時外貌較前粗糙。又如:Sit7將纖維卵白原結(jié)實在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可對掃描各點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，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，樣品產(chǎn)生的變形屬彈性變革，即消除力時樣品可恢回復(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胞在差異負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會受到

7、其他作用而影響實行數(shù)據(jù)。在該實行中作者就針對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的一個極為明顯的特點。通過將探針毗連在彈性系數(shù)很小的懸臂上，AF對力的丈量敏感性可到達pn程度。到如今為止，AF已經(jīng)普及地運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生物分子布局和機器性能舉行闡發(fā)。比方，卵白質(zhì)依賴多種非共價作用而保持其布局穩(wěn)定，通過機器或化學(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，并進一步探究這些力對卵白布局的影響

8、。近幾年AF對肌卵白titin的去折疊研究獲得的明顯效果即有力地說明白這一點13別的，AF還可以或許丈量單個分子間薄弱的非共價力。比方丈量受體-配體的去結(jié)協(xié)力，假設(shè)受體結(jié)實在基底外貌的話，那么將與之對應(yīng)的配體結(jié)實于探針外貌，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結(jié)合兩分子所需的力。在丈量中，有大概會受到探針與外貌的非特異性彼此作用的滋擾14。因此，有需要認真地選擇比擬實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)實的作用力。2.4顯微操縱通過在納米級程度調(diào)控探針的位置和施加力，AF可以實現(xiàn)對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在成像的同時即可對樣品舉行操縱。施加力的范疇重要由懸臂的力學(xué)常數(shù)和探針粗細決定。與尺度顯維切割技能比擬，AF對目的地區(qū)切割、提取等操縱具有更正確的特點。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，同時鹽、細胞殘渣等伴同染色體滴片時吸附于玻片上20，阻礙染色體外貌更渺小的構(gòu)造成像。邇來隨著染色體制備要領(lǐng)的改進和AF成像技能的進步，該方面的研究得到進一步的生長。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):它不但可以或許識別染色體畸變，同時可以對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制的闡發(fā)。對重離子射線誘發(fā)染色體畸變闡發(fā)創(chuàng)造AF不單識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實行的探針等27。在亞細胞程度布局研究的底子上，發(fā)揮AF毗連亞細胞布局、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一步的應(yīng)用與生長。綜上，依附它對染色體納米量極的成像和顯微把持，AF有盼望成為結(jié)合細胞遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)的有力東西。4預(yù)測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范疇。固然，不容無視，在上述的AF多種應(yīng)用中仍