细胞能量代谢探针及仪器研制

项目负责人:田颜清
技术领域:新材料、生命健康

项目简介


机体与外界环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的自我更新过程被称之为新陈代谢。新陈代谢和疾病与健康密切相关。糖酵解和氧化磷酸化是细胞新陈代谢过程中的重要组成部分。癌症细胞往往更多地依赖糖酵解过程而非氧化磷酸化。在恶性肿瘤细胞中糖酵解速率可达正常细胞的20倍。另一方面即使在微环境有足够氧气的情况下,癌细胞也贪婪地利用葡萄糖;但在同一时间它们只消耗少量氧以用于氧化磷酸化过程。其结果是,癌细胞往往在乳酸发酵过程中产生更多的氢离子和利用较少的周围的氧气。因此细胞外环境的酸碱度和氧浓度细胞新陈代谢及能量代谢过程及速率密切相关并在肿瘤细胞和正常细胞之间存在显著差异。

目前美国海马公司把酸碱度和氧浓度双重传感材料和该公司的细胞能量代谢仪XF96结合起来,通过对细胞的氧消耗和酸化的测量来增强对细胞代谢分析、药物代谢分析、线粒体有氧代谢和糖酵解等功能的理解。XF96系统已被应用于药物筛选、药物转化、药理毒理、细胞生理、糖尿病、肥胖症、干细胞、肿瘤等热门研究领域,在评估各种疾病与能量代谢及线粒体运作状态的相互关系以及研究能量代谢生理效应等应用中发挥越来越重要的作用。

然而海马公司的仪器所用的材料是硅胶类的特殊固体材料,在探针载体上容易脱落。另外为结合材料的特性海马公司设计的仪器复杂,价格昂贵。为使得细胞新陈代谢研究方便易行,研制国内自主知识产权探针及以探针为材料的科学仪器符合深圳市及国家的发展需要。结合我们在多功能出传感材料及器件的研究基础及特点,将研制价格低廉,性能优异的新型能量代谢仪。材料及仪器的成功研制必将极大地推动对多种疾病的理解和实现早期疾病检测与预防。

技术优势


本项目研发的探针克服了海马公司的材料附着力不好的问题,且可以提高测量的准确度。另外光交联方法的使制备微小图案达到单细胞研究的要求:对于单细胞的研究尺寸可在几微米到几十微米大小变动。

从原理上看,海马公司细胞外流量分析系统实质上是一台96或24孔板专用荧光光纤光谱仪,通过在光纤末端固定的氧(O2)敏感膜和pH(H+,氢离子)敏感膜,在检测过程中贴近细胞,形成气密性的微反应室(体积为2μL或7μL),并实时监测微反应室内氧气和氢离子浓度变化,还可借助自动注射系统,对细胞在药物压力作用下的代谢变化进行监测。根据以上对SeahorseBioscience公司细胞外流量分析仪的分析介绍,本项目在酶标仪上增加一个简单的元件就可以实现Seahorse Bioscience 公司产品的功能,而且在部分性能上要超过其公司的产品。比如我们的氧气和氢离子二合一的传感膜仅通过光谱区分就可以同时实现两种荧光信号的检测,不需要进行复杂的空间位置变化进行区分;在微反应器的上盖和孔板中设计定位孔和自对准结构,以形成一个具有机械密封的微反应器。以上功能的实现再加上酶标仪原有的功能元件既可实现同时检测细胞外能量代谢指标,如OCR、ECAR。而以微加工技术为基础研制的具有气密性且体积与检测样品相比拟(100皮升到1微升)的微反应器,可以实现对氧、氢离子等小分子的微量变化检测。