第40卷 分析化学( FENXI HUAXUE)研究 第期 2012年月 Chinese Journal of Analytical Chemistry DOI:10.3724/SP.J.1096.2012.11202 细胞电化学分析的研究进展 赵婧1朱小立1李根喜l2 上海大学生命科学学院,上海2004442(南京大学生物化学系,医药生物技术国家重点实验室,南京210093) 摘要细胞是构成生命有机体的基本单位,对有机体的生长发育以及生理功能的维护起着至关重要的作 用。由于细胞中的各种生理活动多伴随着电荷的定向传递、传导或者转移,因此,结合电分析化学技术的简 单、便捷、灵敏以及快速的优势,细胞电分析化学逐渐发展成为了生物电分析化学的一个重要分支,为细胞活 性分析、疾病诊治以及药物筛选等研究提供了越来越多的理论支持,并奠定了重要的实验基础。近几年,随着 界面修饰技术、纳米技术、分子组装以及分子识别技术的发展,具有更高生物相容性和选择性的电极环境被开 发应用于细胞的固定,极大地促进了细胞电分析化学的发展。本文重点评述近三年细胞电化学分析的研究进 展,并以此为基础展望了其研究前景 关键词细胞;细胞凋亡;肿瘤细胞;电分析化学 1引言 细胞是构成有机体的基本单位,是有机体生长与发育的基础,是物质、能量和信息精巧结合的综合 体。对细胞的认识和理解是一切生命科学研究的基础。同时,一个细胞,无论处于兴奋状态,还是静息 状态,都会不断地产生电荷的变化,众多生理活动都伴随着电荷的定向传递、传导或者转移叫,因此,电 化学反应是细胞基本生命活动的重要基础 生物电化学是20世纪70年代兴起的一门采用电化学的基本原理和实验方法,在分子和细胞两个 不同水平上研究或模拟研究电荷在生物体系及其模拟体系中的分布、传输、转移及转化的交叉科学。 20世纪后期至今,生物电化学、尤其是生物电分析化学发展极为迅速-。其中,细胞的电化学分析作 为生物电分析化学的一个重要分支,引起了同行的广泛关注。以细胞作为直接的电化学研究对象更有 利于了解细胞内在的亚细胞反应机制,有助于深入探索其相关的生理活动;细胞内部级联放大反应可 以有效提高检测的灵敏度;从细胞内部提取的酶具有更高的生物活性,而使用从细胞中直接提取的物质 进行研究更可以降低检测分析的成本。因此,细胞的电分析化学研究正为深入认识有机体在细胞水平 上的运动规律以及揭示生命活动的奥妙提供越来越多有力的技术支持,为疾病诊治、药物设计、药物副 作用控制以及微生物监测等提供科学理论和实验依据。本文主要从细胞基本结构和功能、细胞凋亡 以及肿瘤细胞的电化学分析3个方面评述近3年细胞电化学分析的研究进展 2细胞基本结构和功能的电化学分析 20世纪90年代,研究者尝试通过蛋白膜伏安法技术将结构更为复杂的蛋白复合体—光系统I和 光系统Ⅱ固定在电极表面,并通过光系统的伏安行为对其电子传递过程进行体外模拟研究,以电化学 技术对光合作用的机理进行推测和验证。自此之后,生物电分析化学的探索就不再局限于简单的活 性小分子或者单个带有电活性中心的蛋白质,逐渐向更加宏观的细胞器,乃至整个活细胞拓展。 zhao等圓以牛血清白蛋白和戊二醛作为膜材料,将新鲜提取的线粒体固定在热解石墨电极表面(如图1 所示)。由于外加电场改变了线粒体外膜的通透性,位于线粒体内外膜之间的细胞色素c和FAD FADH2透过外膜的空隙与电极发生电子传递,产生了两对氧化还原峰,而线粒体内膜内侧的NADH则 在线粒体膜被破坏后与电极表面发生氧化还原反应产生信号响应。他们还发现,当琥珀酸加入到线粒 2011-10-24收稿:201}-1222接受 本文系国家自然科学基金资助项目(No90406005,61001035)和国家杰出青年科学基金资助项目(No,20925520)资助 E-mail:genxili@nju.edu.cnDOI:10.3724/SP.J.1096.2012.11202 细胞电化学分析的研究进展 赵 婧1 朱小立1 李根喜* 1,2 1 (上海大学生命科学学院,上海 200444) 2(南京大学生物化学系,医药生物技术国家重点实验室,南京 210093) 摘 要 细胞是构成生命有机体的基本单位,对有机体的生长发育以及生理功能的维护起着至关重要的作 用。由于细胞中的各种生理活动多伴随着电荷的定向传递、传导或者转移,因此,结合电分析化学技术的简 单、便捷、灵敏以及快速的优势,细胞电分析化学逐渐发展成为了生物电分析化学的一个重要分支,为细胞活 性分析、疾病诊治以及药物筛选等研究提供了越来越多的理论支持,并奠定了重要的实验基础。近几年,随着 界面修饰技术、纳米技术、分子组装以及分子识别技术的发展,具有更高生物相容性和选择性的电极环境被开 发应用于细胞的固定,极大地促进了细胞电分析化学的发展。本文重点评述近三年细胞电化学分析的研究进 展,并以此为基础展望了其研究前景。 关键词 细胞;细胞凋亡;肿瘤细胞;电分析化学 2011-10-24 收稿;2011-12-22 接受 本文系国家自然科学基金资助项目(No.90406005,61001035)和国家杰出青年科学基金资助项目(No.20925520)资助 * E-mail: genxili@ nju.edu.cn 1 引 言 细胞是构成有机体的基本单位,是有机体生长与发育的基础,是物质、能量和信息精巧结合的综合 体。对细胞的认识和理解是一切生命科学研究的基础。同时,一个细胞,无论处于兴奋状态,还是静息 状态,都会不断地产生电荷的变化,众多生理活动都伴随着电荷的定向传递、传导或者转移[1],因此,电 化学反应是细胞基本生命活动的重要基础。 生物电化学是 20 世纪 70 年代兴起的一门采用电化学的基本原理和实验方法,在分子和细胞两个 不同水平上研究或模拟研究电荷在生物体系及其模拟体系中的分布、传输、转移及转化的交叉科学。 20 世纪后期至今,生物电化学、尤其是生物电分析化学发展极为迅速[2~6]。其中,细胞的电化学分析作 为生物电分析化学的一个重要分支,引起了同行的广泛关注。以细胞作为直接的电化学研究对象更有 利于了解细胞内在的亚细胞反应机制,有助于深入探索其相关的生理活动; 细胞内部级联放大反应可 以有效提高检测的灵敏度;从细胞内部提取的酶具有更高的生物活性,而使用从细胞中直接提取的物质 进行研究更可以降低检测分析的成本。因此,细胞的电分析化学研究正为深入认识有机体在细胞水平 上的运动规律以及揭示生命活动的奥妙提供越来越多有力的技术支持,为疾病诊治、药物设计、药物副 作用控制以及微生物监测等提供科学理论和实验依据[7]。本文主要从细胞基本结构和功能、细胞凋亡 以及肿瘤细胞的电化学分析 3 个方面评述近 3 年细胞电化学分析的研究进展。 2 细胞基本结构和功能的电化学分析 20 世纪 90 年代,研究者尝试通过蛋白膜伏安法技术将结构更为复杂的蛋白复合体———光系统 I 和 光系统 II 固定在电极表面,并通过光系统的伏安行为对其电子传递过程进行体外模拟研究,以电化学 技术对光合作用的机理进行推测和验证[8,9]。自此之后,生物电分析化学的探索就不再局限于简单的活 性小分子或 者 单 个 带 有 电 活 性 中 心 的 蛋 白 质,逐 渐 向 更 加 宏 观 的 细 胞 器,乃 至 整 个 活 细 胞 拓 展。 Zhao 等[10]以牛血清白蛋白和戊二醛作为膜材料,将新鲜提取的线粒体固定在热解石墨电极表面(如图 1 所示)。由于外加电场改 变 了 线 粒 体 外 膜 的 通 透 性,位 于 线 粒 体 内 外 膜 之 间 的 细 胞 色 素 c 和 FAD/ FADH2 透过外膜的空隙与电极发生电子传递,产生了两对氧化还原峰,而线粒体内膜内侧的 NADH 则 在线粒体膜被破坏后与电极表面发生氧化还原反应产生信号响应。他们还发现, 当琥珀酸加入到线粒 第 40 卷 2012 年月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究 Chinese Journal of Analytical Chemistry 第期 ~