利用基于原子力显微镜的纳米压痕测定了抗癌药物作用前后单个癌细胞机械性能变化

细胞膜在细胞的生理功能中起着至关重要的作用,它是把细胞内部与其周围环境分开的选择性屏障。细胞的许多的生命活动都发生在细胞膜界面处,例如细胞内外的物质和能量交换、信号转导、病毒感染和药物作用靶点等。

其中病毒感染由病毒结合到细胞膜表面跨膜转运进入细胞后,才能进一步完成后续的感染过程;药物作用靶点也多位于细胞膜界面上,具有高度特异性的单克隆抗体药物的抗原表位全部位于细胞膜表面。了解这些发生在细胞膜界面上生命过程的生物力学,对阐明细胞膜的基本功能至关重要。

本文综合应用力示踪、纳米压痕和单分子力谱三种基于原子力显微镜(AFM)的力学测量技术,在生理条件下测定了埃博拉病毒和单克隆抗体药物西妥昔在生物膜界面处发生的细胞膜相关生物力学性质。主要内容如下:1.利用基于AFM的力示踪技术解析单个埃博拉病毒的跨膜转运动力学,同时定量测定了单个埃博拉病毒跨膜转运的力和时间。

我们的结果显示埃博拉病毒在跨膜转运过程中出现两种不同的内吞方式,因为埃博拉病毒是一个线状病毒,这两种内吞方式与病毒接触细胞膜的角度和在针尖的连接方式相关。第一种情况病毒跨膜转运所需的时间21~189 pN,平均内吞力41.8±1.05 pN,相应的内吞时间分布在0.17~2.07 s范围内,平均为0.27±0.02 s。

第二种情况下病毒的平均内吞力为56.2±1.10 pN,平均内吞时间为0.39±0.03 s。2.基于AFM的纳米压痕技术测定抗癌药物作用前后单细胞机械性质的变化。  大量的研究表明癌细胞与正常细胞在机械性质上有较大差异。利用基于原子力显微镜的纳米压痕我们测定了抗癌药物西妥昔作用前后单个癌细胞机械性能的变化。  结果显示药物作用后癌细胞的杨氏模量为6.22±2.0 kPa,而药物作用前的对照组为3.42±1.4 kPa。说明药物作用后单细胞的硬度增加,迁移能力减弱,即药物达到一定的疗效。  3.单克隆抗体抗癌药物西妥昔与细胞膜表面受体之间相互作用的单分子力测量。表皮生长因子受体(EGFR)是西妥昔在细胞膜表面的作用靶点。  西妥昔与EGFR的结合力大小与表皮生长因子(EGF)与EGFR间的结合力相当,而结合概率大于EGF与EGFR之间的结合概率。说明在细胞膜界面的单分子水平上西妥昔具有较强的竞争结合能力。

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