雙筒納米探針用于同時進行SICM成像和pH測量操作

 

金澤大學納米生命科學研究所的Yuri Korchev和Yasufumi Takahashi，倫敦帝國理工學院（Imperial College London）的Yanjun Zhang和來自英國、中國、日本、俄羅斯合作機構的同事們在最近的一篇論文中解釋道，“很明顯，酸性細胞外pH值在癌細胞生長、侵襲和對抗治療中起著至關重要的作用。盡管人們越來越認識到直接環繞在細胞周圍的pH值作為細胞健康指標的重要性，但是現有測量技術在靈敏度、可提供的空間分辨率和對pH值變化的響應速度方面仍然受到限制。”Zhang、Takahashi、Korchev及其同事發表在《自然通訊》上的論文中描述了一種新型納米微滴管pH生物傳感器，該傳感器對0.01單位以下的pH值變化非常敏感，響應時間為2 ms，空間分辨率為50 nm。

 

研究人員最初將傳感器設計為納米微滴管離子場效應晶體管，其中的柵極控制著納米微滴管中離子的流動。雖然這種設計解決了圍繞pH值敏感性和空間分辨率的問題，但是由于離子庫侖阻塞效應阻礙了離子的擴散速率，該裝置的讀數仍需要花費幾秒鐘來響應pH值的變化。

 

Zhang、Takahashi、Korchev及其同事現在提出的解決方案是結合兩性離子膜以實現更快的響應。通過使用雙筒納米微滴管（只有一個筒應用了離子膜），研究人員得以將另一個筒作為掃描離子電導顯微鏡（scanning ionic conductance microscope, SICM）同步進行拓撲測量。

 

團隊成員在活的癌細胞上進行測試，并展示了該裝置如何從缺乏雌激素的乳腺癌細胞浸潤性表型中檢測到細胞外pH值的增加。他們還可以檢測光合作用中，由于無機碳的吸收所導致的暴露于陽光下藻類的pH值變化，并且可以從高分辨率pH值圖中識別出侵襲性黑色素瘤細胞的異質性。

 

研究人員著重強調了該裝置可以實時反饋所控制的細胞外pH值動態3D映射，并且可以檢測出“無標記和亞細胞分辨率”癌細胞的異質性。他們總結道，“該方法有助于癌癥的診斷、預后和評估酸性pHe（細胞外pH值）靶向治療。”

 

利用反饋控制的雙筒SICM-pH納米探針對活黑色素瘤細胞進行高分辨率3D pHe映射。單次SICM掃描同時獲得低緩沖活性黑色素瘤A375M細胞的3D SICM地形圖（左柱）和3D pHe分布圖（右柱），顯示了高度多樣化的pHe分布模式。比例尺：20 μm

 

先前技術的局限性

 

目前，最常用的pH探針基于微電極，與細胞外pH研究中pH值波動范圍相比，微電極體積較大。替代方案包括基于分子熒光的變化，核磁共振成像以及正電子發射計算機斷層掃描。然而，熒光監測易受背景噪音和光漂白的影響，其他技術的空間分辨率較差，并且由于其基于探針在組織內的分布而難以定量。

 

通過使用納米微滴管作為離子場效應晶體管，研究人員得以克服限制現有技術的大多數問題。但是，相互排斥的電荷會導致庫侖阻塞效應，這種效應會抑制帶正電荷的質子化水分子在納米微滴管管中的擴散，從而減緩了響應時間。

 

兩性離子膜

 

兩性離子是包含帶相反電荷官能團的不帶電荷分子。針對納米微滴管中的兩性離子膜，研究人員使用多聚賴氨酸（poly-l-lysine, PLL）和葡糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）自組裝水凝膠，具有成本低、穩定性好等優點。PLL具有帶正電荷的季胺基，Gox具有帶負電荷的羧酸殘基。戊二醛蒸汽可以交聯所得的PLL/Gox水凝膠。

 

中性pH條件下，兩性離子膜同時具有帶正電荷和負電荷的官能團，但在低pH條件下，正電胺基官能團占主導地位，因此負離子優先通過膜擴散，從而避免了離子庫侖的阻塞。

 

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13535-1

 

作者： 麥姆斯咨詢殷飛