对流体中的微纳米材料、细胞、生物分子等进行高精度、高灵活性、无损伤操控的技术在生物医学、生物化学、纳米科学等领域的发展中有着重要的作用。作为捕获和操控的核心技术, 光镊的发展和应用也越来越广泛。本文系统地描述了各类光镊的工作原理和独特功能, 阐述了不同光镊技术在生物学上的应用, 讨论了它们在生命科学的发展前景。

利用原子力显微镜（AFM）研究了化疗药物多西他赛对肺腺癌细胞A549的作用机制。选取了不同浓度多西他赛作用下的A549细胞, 观察和分析了多西他赛对A549细胞形貌信息和生物力学特性的影响。结果表明细胞的峰谷差和超微结构的平均粗糙度随着药物浓度增加而减小, 表面粘附力随着药物浓度增加而增大。该结果对AFM可作为一种利用纳米量级分辨率进行药物药效评估的工具进行了佐证。

空化效应是发生在液体内部的一种极其复杂的流体物理现象, 能产生极高的中心能量密度, 并伴随发光、发热、冲击波、高速射流等极端物理现象, 它的存在能使一些极端的反应得以实现。空化效应发生时形成的空化微流体在破坏细胞形貌、微操控、微混合等方面有广泛地应用。本文综述了空化微流体及其产生的强烈冲击波在生物医学方面的应用, 包含空化微流体在破坏细胞形貌、微小元件的操控以及加快液体混合等三个方面。

T细胞的抗原识别和活化可以直接影响整个免疫应答的性质、效能和结果, 在人体免疫反应中具有核心作用。细胞的形态结构和力学特性决定着细胞的功能的发挥。利用原子力显微镜(AFM)从纳米水平和皮牛顿量级探测分析静息的T细胞和不同刺激剂(超抗原SEA和植物凝集素PHA)活化的T细胞的形态结构和生物力学特性。研究发现静息的T细胞呈较为规则的圆形, 细胞表面相对光滑均一, 活化后细胞高度和体积明显增大, 体积增大为静息T细胞的2~3倍, 高度增加了约50%, 这是T细胞经过刺激剂活化后增殖、分化而增大的表现。同时发现活化后的T细胞表面粗糙度增大, 细胞表面形成100 nm~1 μm颗粒状团簇结构。这种微纳结构域的形成与T细胞经过活化后细胞表面分子表达和细胞因子的分泌有关, 并且与免疫突触的形成和功能发挥密切关联。经过PHA和SEA活化后的T细胞表面粘附力增大, 是静息的T细胞的3-6倍, 而细胞硬度明显减小, 这种力学特性的变化有利于T细胞与病原体的相关作用从而清除病原体。通过AFM的研究, 可以进一步的了解T淋巴细胞形态变化与细胞行为之间的关系, 为更好地理解T细胞的结构与功能提供了更多可视化的依据。

针对转基因大豆中普遍含有的35S启动子进行引物设计, 以双链DNA染料SYBR GreenⅠ为荧光标记物, 利用实时荧光定量PCR方法对大豆样品进行检测。该法检测转基因大豆的检测低限为0.005 nmol/L的35S启动子, 线性范围达3个数量级, 可快速区分转基因大豆和非转基因大豆, 具有快速、简便、灵敏、安全、高通量、低成本等优点, 可推广用于转基因植物产品的快速定量检测。

在纳米量级上探测红细胞生理病理特性对于揭示疾病的起源、早期诊断和有效的治疗是十分重要的。疾病可以从分子水平上扰乱红细胞的形貌和功能。缺铁性贫血病人的红细胞的形貌具有严重的表面畸形。通过高分辨率的原子力显微镜成像研究了健康人和缺铁性贫血病人红细胞的整个形貌和表面膜的差异。结果表明, 红细胞的形貌参数(例如细胞的峰、谷、峰谷差、表面起伏和标准方差)可以探测健康和病理的红细胞。因此, 红细胞的形貌信息可望成为诊断健康和疾病, 以及评估治疗效果的重要指标。

针对传统电泳检测方法存在操作复杂、费时等缺点, 提出一种用于检测K-ras癌基因点突变的实时荧光等位基因特异性扩增(Allele specific amplification, ASA)方法。该法采用突变型引物对结肠癌基因组中的K-ras基因进行等位基因特异性扩增, 只有突变型样品能被顺利扩增出双链DNA产物, 该产物能与双链DNA染料SYBR Green Ⅰ结合, 产生荧光信号从而被检测到。通过对荧光域值和溶解曲线分析来区分不同的基因突变类型。该法可以检测到野生型DNA中含量为1/1 000的突变型DNA, 整个检测时间小于1 h。我们用该法检测31例结肠癌样品中K-ras基因密码子12发生的点突变, 其中有15例检出为阳性。此外, 还采用等位基因特异性扩增结合电泳分析对样品进行了检测, 并对两种方法进行了比较。结果显示: 实时荧光等位基因特异性扩增方法具有操作简便、快速、检测成本低等优点, 为临床诊断基因突变引起的疾病提供了一种可行的手段。

发展了一种可用于快速检测K-ras癌基因点突变的电化学发光PCR(ECL-PCR)分析方法,该法采用三联吡啶钌标记的上游引物和生物素标记的下游引物对目的片段进行PCR扩增;随后,采用限制性内切酶MvaI对扩增产物进行酶切,由于突变导致酶切位点的丢失,所以只有野生型样品能被切断;通过生物素与链霉亲和素包被的磁珠连接,将生物素标记的DNA片段收集到反应池中进行电化学发光检测.采用该法对20例结肠癌组织中的K-ras癌基因第12位密码子进行点突变分析,得出其中有9例存在点突变,点突变率为45 %.该方法操作简便、安全、快速、灵敏,可用于快速检测K-ras癌基因点突变.

大多数转基因植物中使用花椰菜花叶病毒(cauliflower mosaic virus,CaMV)35 S作为启动子,因此可通过检测该启动子来判断植物样品中是否含有转基因成分.实验将高灵敏度电化学发光PCR方法用于检测转基因烟草中的CaMV 35 S启动子,将该启动子的PCR产物与生物素标记的探针杂交,可以起到特异性筛选产物的作用;与发光标记物--三联吡啶钌标记的探针杂交,从而实现电化学发光检测.两种探针同时与待测样品的PCR产物进行杂交,进一步对样品进行特异性筛选,从而提高了检测的准确性,避免了假阳性结果的产生.实验结果表明:该法可以准确的区分待测样品中是否含有35 S启动子,从而区别转基因烟草和非转基因烟草.电化学发光PCR方法灵敏度高,可靠性强,操作简便,结果准确,有望成为一种高效的转基因植物检测方法.

近年来发展了一种用于定量检测基因点突变的电化学发光PCR方法.该法采用三联吡啶钌标记的上游引物和生物素标记的下游引物对待测基因进行PCR扩增;随后,采用特定的限制性内切酶对扩增产物进行酶切,由于野生型样品和突变型样品间存在酶切位点的变化,其中只有一种基因型样品能被切断;通过生物素与链霉亲和素包被的磁珠连接,将生物素标记的DNA片段收集到样品池中;进行电化学发光检测,通过所得信号的有无可以判断其基因型.我们分别将该法用于Presenilin-1基因和H-ras癌基因的点突变检测,结果均可明显区分突变型样品和野生型样品.该法具有灵敏、快速、简便、安全等优点,是一种实用的基因点突变检测方法.