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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

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

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作者：葛凤青岛大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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基于暗场成像技术研究金纳米棒作为方向探针在内吞过程中与细胞的相互作用

基于暗场成像技术研究金纳米棒作为方向探针在内吞过程中与细胞的...

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作者：黄真蓉湖南大学

学位级别：硕士

过去十年,有关纳米材料生物医学成像的研究经历爆炸性增长。单粒子实时示踪技术作为一种分析生物学过程和解析生物体内组织构架的强有力方法,对生物医学方面的研究具有十分重要的作用。作为一个基础的问题,纳米颗粒和单个活细胞之间的... 详细信息

过去十年,有关纳米材料生物医学成像的研究经历爆炸性增长。单粒子实时示踪技术作为一种分析生物学过程和解析生物体内组织构架的强有力方法,对生物医学方面的研究具有十分重要的作用。作为一个基础的问题,纳米颗粒和单个活细胞之间的相互作用已经引起了相关生物化学和生物研究的兴趣。目前,已经开发了包括光学显微镜,ICP-AES和TEM在内的多功能技术来研究尺寸,形状和表面化学对纳米颗粒与细胞相互作用的巨大影响。由于缺乏对于该过程动力学分析的技术,目前大多数研究仅关注纳米颗粒内化的定量测定。基于此,我们基于暗场显微成像技术对单个纳米棒的旋转和平移运动进行示踪,并证明了该技术在纳米粒子与细胞相互作用动力学研究中的应用。因此,本论文:在第二章中,我们利用传统暗场显微镜建立了简便有效的双模态单粒子示踪方法。该方法利用金纳米棒空间构象与散射相斑颜色的对应关系,通过分析探针在运动过程中的颜色变化,可实现对其位置信息与空间构象信息的同时高效分析。在第三章中,利用传统暗场显微镜,我们实现了实时监测单个金纳米棒与细胞相互作用的内吞过程。获得了单个金纳米棒与细胞相互作用过程中的平动运动与旋转运动信息,阐释了金纳米棒在与细胞相互作用的内吞过程中的平动动力学和旋转动力学信息,表明通过受体介导内吞的金纳米棒在跨膜时垂直于膜的方向进入细胞。证明了传统的暗场成像技术是研究纳米颗粒与细胞相互作用良好的技术手段,同时获得了更多的生物学信息。在第四章中,我们引入了双通道散射成像技术,用于示踪单个纳米棒的旋转和平动。这种双通道散射成像通过在显微镜的光收集路径中添加包含偏振器的分束器装置来实现。在彩色CCD成像后,分别根据两个通道中图像的颜色信息确定金纳米棒的极化角和方位角,从非偏振成像通道获得纳米棒的定位信息。与以前的技术相比,该方法在纳米颗粒与细胞相互作用过程中能更直观地确定单个纳米棒的旋转和平移信息且具有更高的精度。可以预期,该技术对于在纳米材料生物医学成像研究中的应用是有希望的。我们利用建立的双通道散射成像技术实现了对金纳米棒在细胞环境中三维空间构型的测定。研究不同表面修饰的金纳米棒与细胞的相互作用过程中三维空间取向以及不同修饰的金纳米棒在进入细胞过程中平动和转动行为。该方法对于研究纳米材料或者纳米尺度上生物功能分子的构象和旋转运动动力学有重要的意义。

关键词：传统暗场成像双通道散射成像纳米颗粒与细胞相互作用金纳米棒

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