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新技术:高灵敏度钙离子传感器

作者: 来源: 2018-01-22 我要评论( )

来自日本理化学研究所,北海道大学电子科学研究所等处的研究人员开发出了一种新型的钙离子传感器,这种传感器能对细胞内极微量(nM:Nano Mora)水平的钙离子(Ca2+)浓度变化高度敏

生物通报道:钙是人类和动物不可缺少的元素,也是人体内含量最多的金属元素。由于钙离子在生命活动的各种生理生化反应、疾病的发生和发展中都扮演着极其重要的角色,因此,体内钙离子浓度的测定具有特别重要的意义。

目前,钙的测量方法有很多,如比色法、滴定法、荧光法 、Ca2 + 放射性同位素示踪法等,但是很多方法都无法实现一些特殊的功能,比如在各种细胞静止期上的钙离子浓度的不同,大脑皮层神经活动的高灵敏度检测,或者是对活着的生物的神经网络、肌肉组织获得模式的同时测定,以及测定大规模网络中细胞间信号传递。

来自日本理化学研究所,北海道大学电子科学研究所等处的研究人员开发出了一种新型的钙离子传感器,这种传感器能对细胞内极微量(nM:Nano Mora)水平的钙离子(Ca2+)浓度变化高度敏感,从而有利于分析与与钙离子动态异常相关的疾病。这一研究成果公布在Nature Methods杂志上。

领导这一研究的是北海道大学Takeharu Nagai(永井健志),这位教授在光电生物影像,以及现代显微成像技术等方面获得了许多重要的成果,曾多次来华进行演讲。

在这篇文章中,研究人员成功开发出对细胞内极微量(nM:Nano Mora)水平的钙离子(Ca2+)浓度变化高度敏感的荧光性Ca2+传感器。这种超高灵敏度的钙离子传感器被称为:Cameleon-Nano(变色龙-Nano),能够完成以往不能实现的生物检测需要,比如对活着的生物的神经网络进行测定等等。

这项成果将对与钙离子动态异常相关的癫痫发作、双相情感障碍、循环系统疾病、过敏性疾病、内分泌紊乱等各种疾病原因的探明及相关药物的开发做出贡献。

另外与钙离子相关的另外一项技术在目前的检测方面中也越来越受到了人们的重视,这就是钙离子敏感型化学探针。这种探针是一类多苯环有机化合物,可以和二价金属离子结合,对钙离子具有较高的选择结合性,当其与钙离子结合后在一定波长的光激发下可以发出一定波长的光。

这项技术的发展与现代社会频繁爆发的环境污染、食品中毒、大规模疾病等事件密切相关,这些事件的发生,引起了人们对环境监测、食品监控、疾病诊断和生物战剂检测等的重视,而这些都迫切需要快速、准确检测病原体的方法。

传统的检测方法主要有形态学鉴定,生物化学方法,免疫测定和核酸检测方法, 这些方法的应用都存在的一定的局限性,形态学和生物化学方法需要分离、培养微生物,费时费力,通常需要几天的时间才能完成。免疫测定方法,如酶联免疫吸附测定ELISA虽然检测时间较短,但却是一种操作繁琐的技术,需要反复的冲洗操作. 一般来讲,核酸检测方法具有较高的敏感性,PCR技术可以检测到10个甚至更少微生物的存在,但其需要较纯净的样品并且不能检测蛋白质。

钙离子敏感型化学探针是一种基于荧光检测的细胞传感器的发光技术,这种技术一般是利用免疫细胞表面特异的受体直接或间接地识别和结合抗原,然后通过膜表面分子相互作用激活细胞内部的信号传导通路,将信号传入细胞内部,引起细胞发生一系列生理生化反应,如胞浆内钙离子浓度的迅速升高、蛋白磷酸化、特异基因的表达。接着细胞内人工添加的或通过基因工程表达的指示剂将细胞内部的信号转化成容易检测的光信号,检测器通过检测光信号的强弱来定性或定量地检测特异性抗原。

信号转换环节在传感器的设计中起着极为重要的作用,现在应用的信号转换技术主要是利用各种钙离子探针将钙离子浓度的变化转变成荧光信号。

钙离子敏感型化学探针有两种形式,一是普通的可溶性盐形式,通常需要以微注射的方式载入细胞;另一种是将其负电基团结合了乙酰羧甲酯(AM)的酯基形式,可通过被动扩散直接进入细胞,并在细胞内非特异性酯酶的作用下水解,恢复为不能通过细胞膜的游离酸形式。由于这种钙离子探针使用方便,现被广泛应用于细胞内钙离子的检测。但这种探针存在自发荧光干扰、光损害和光漂白等问题,从而影响细胞的生理活性和代谢状态。现在已经开发出许多新型的这种探针,对钙离子具有不同的亲和力,可以测定不同浓度钙离子的变化,有些具有更强的发光效果,低载量使用可以减轻细胞的光损害。

(生物通:万纹)

原文摘要:

Spontaneous network activity visualized by ultrasensitive Ca2+ indicators, yellow Cameleon-Nano

We report ultrasensitive Ca2+ indicators, yellow cameleon-Nano (YC-Nano), developed by engineering the Ca2+-sensing domain of a genetically encoded Ca2+ indicator, YC2.60 or YC3.60. Their high Ca2+ affinities (Kd = 15–140 nM) and large signal change (1,450%) enabled detection of subtle Ca2+ transients associated with intercellular signaling dynamics and neuronal activity, even in 100,000-cell networks. These indicators will be useful for studying information processing in living multicellular networks.

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灵敏|钙离子传感器

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