基于暗场成像的单颗粒示踪技术研究金纳米棒与细胞的相互作用

作     者：葛凤 

作者单位：青岛大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宗花;何彦

授予年度：2019年

学科分类：1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 10[医学] 0702[理学-物理学] 

主      题：暗场显微镜 单颗粒示踪技术 纳米颗粒与细胞相互作用 金纳米棒 

摘      要：近年来,为满足疾病诊断及精准医学发展的需求,纳米颗粒与细胞相互作用引起了广泛的关注。纳米颗粒与细胞相互作用由于细胞的复杂性及纳米颗粒的多样性变得神秘而复杂,然而传统的平均的方法不再能满足人们更加全面的研究纳米颗粒与细胞复杂的相互作用的需求。因此,能够实时追踪单分子/单颗粒动力学信息的单分子/单颗粒示踪技术得到了广大研究者们的青睐。本文利用传统的暗场成像方法构建了一套以金纳米棒(AuNRs)为探针的单颗粒示踪技术,并进一步利用该暗场成像的单颗粒示踪技术分析了金纳米棒与细胞的相互作用。我们可以通过分析示踪粒子平动和转动动力学的各种方法和手段来窥探细胞物质运动,进而揭开复杂的细胞作用机制的神秘面纱。本论文主要从以下三个方面开展工作:一、基于金纳米棒探针构建平动&旋转单颗粒示踪技术基于AuNRs的散射偏振性,我们利用传统的暗场显微镜构建了一个简单有效的方法,该方法可以追踪单个AuNRs的平动和转动信息。该方法的原理是:暗场成像条件下,AuNR在彩色相机中呈现为一个散射像斑,像斑的散射强度受AuNR与光轴之间的夹角(极化角)影响,即AuNR的极化角可以通过其在彩色相机R、G和B三个成像通道的散射强度值计算,这里我们以G为内参,利用(R-G)计算极化角。与其它AuNRs为探针的方法相比,该颜色双通道差分方法的优点是简单、系统误差低、角度测量精准度高。接下来,我们通过偏振实验和数据模拟验证了该颜色双通道差分方法用于计算极化角是可行的、可靠的。最后,我们利用该方法分析了CTAB-AuNR与不同膜受体蛋白(PD-L1)表达量细胞相互过程中的旋转行为,证明PD-L1受体蛋白在AuNR与细胞相互作用过程中有重要的作用。二、单颗粒示踪技术研究细胞膜上扩散金纳米棒的动力学利用颜色双通道差分法,我们研究了功能化AuNRs在细胞膜上的扩散行为。首先,为满足实验要求,我们合理设计了AuNRs探针。研究结果表明,功能化AuNRs在细胞表面经历“随机地不等时长的受限和“长程移动的扩散运动,这是由细胞膜的动态栅栏结构导致的。AuNRs与细胞膜之间复杂的相互作用导致AuNRs在细胞膜上扩散的平动转动均是空间和时间异质性的。同时,该单颗粒示踪方法为复杂的细胞膜结构研究提供了新方向。三、单颗粒示踪技术研究不同修饰金纳米棒与细胞相互作用我们利用颜色双通道差分法追踪分析不同修饰AuNRs与MCF-7细胞的相互作用。我们发现由于配体-受体相互作用差异性、受体表达分布及工作机制差异性,不同修饰AuNRs在吸附阶段、膜上扩散阶段、跨膜阶段有不同的动力学特性。因此,详细分析纳米颗粒与细胞的相互作用,有助于我们理解和调控细胞作用机制,进而推进疾病诊断及精准医学的发展。