第4章---生物物理技术-细胞实验技术.doc
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1、第4章 细胞实验技术摘要: 细胞生物学的重要性及其在生命科学中的重要地位已被科学家们所公认。2002年第6916期Nature杂志的封面赫然写着Cell Biology is a big science。1925年细胞生物学的先行者E.B.wilson在其不朽著作细胞的发育与遗传中指出“每一个生物学问题的关键最终必然从细胞中寻求”D.L.斯佩克特,2001。本篇细胞实验技术主要包括以下内容:细胞培养 (Cell culture),细胞(电)融合(Electrofusion),细胞电穿孔(Electroporation),离心分离技术(Centrifugation),流式细胞计量术(Flow c
2、ytometry),微流孔芯片(Microchannel, Lab-on-chip),显微切割 (Laser capture microdissection)细胞电泳 (Cell Electrophoresis),细胞/组织芯片技术(Cell/tissue microarray/Cell),细胞放射自显影术(Cell autoradiograph),细胞的显微注射技术(MicromanipulationTechnique)。本章主要讲述以上11种技术的原理及应用,并附有图片加以形象说明。目录1细胞培养(Cell culture)21.1基本概念21.2 培养细胞的特性31.3培养细胞生长的条件
3、31.4细胞传代31.5细胞冻存和复苏42细胞电融合42.1概念42.2细胞电融合过程及其优点42.3应用43 细胞电穿孔(Electroporation)53.1概念53.2应用54 离心分离技术(Centrifugation)64.1概念64.2 差速离心 (Differential centrifugation)64.3 密度梯度离心75 流式细胞计量术(Flow cytometry)85.1流式细胞仪分选原理及结构85.2流式细胞的应用85.3流式细胞在测定细胞凋亡和周期中应用86 微流孔芯片(Microchannel, Lab-on-chip)96.1概念96.2微流控芯片技术在细胞
4、学中的应用97 显微切割 (Laser capture microdissection)107.1 概念107.2 切割及细胞采集方法107.3微切割的应用118 细胞电泳(Cell Electrophoresis)118.1概念118.2单细胞凝胶电泳(singlecellgelelectrophoresisSCGE),又称彗星试验(comet assay)129 细胞/组织芯片技术(Cell/tissue microarray)139.1概念139.2芯片简介139.3芯片技术主要环节149.4芯片技术的应用1410细胞放射自显影术(Cell autoradiograph)1410.1原理
5、1410.2应用1411 细胞显微注射技术(MicromanipulationTechnique)1511.1概念1511.2显微注射的特点1511.3常用仪器1511.4应用实例161细胞培养(Cell culture)1.1基本概念1.11 细胞培养:将动、植物细胞或组织从机体内取出分散成单细胞悬液,给予必要的生长条件,让其在培养基上继续生长繁殖的过程。原代培养:从机体取出后立即进行的细胞培养。1.12传代培养:原代培养的细胞在生长一定时间以后,就会由于营养成分的消耗、代谢产物的积累以及接触抑制等因素而停止生长,因此必需将细胞传到新的培养瓶中去使其继续生长。1.13细胞系:由细胞株传至50
6、代后又出现危机不能再传下去,但是如果有部分细胞发生了遗传突变就有可能在体外培养的条件下无限制地传下去。这些细胞具有癌细胞的特点,这种传代细胞称为细胞系。细胞系的特点是染色体发生明显变化,失去接触抑制的特性。 图1.1实验室中几种常用的细胞系:兰容,et al,2007 正常细胞 凋亡细胞 分裂中期细胞 图1.2 传代培养的绍鸭成纤维细胞形态(DAPI染色)兰容,et al,20071.2 培养细胞的特性1.21培养细胞的生长方式 贴附生长:必须贴附于支持物表面才能生长。见于实体瘤细胞。 悬浮生长:于悬浮状态下即可生长,不需要贴附于支持物表面。见于各种造血系统肿瘤细胞。1.22培养细胞的生长特点
7、a. 贴附:贴附并伸展,是多数体外培养细胞的基本生长特点。b. 接触抑制及密度依赖性(80%传代)(见下图1.3) 图1.3 细胞培养1.23细胞培养的生长过程a. 原代培养或初代培养期: 取自体内新鲜组织并置于体外条件下生长的细胞在传代之前称为原代培养(14周)。b. 传代期: 细胞在培养器皿中生长一定时间后,被分开接种至两个或者更多的培养器皿中(数天到一周左右)。c. 衰退期: 在此期间细胞开始时虽仍然存活,但生殖已经很缓慢并逐渐完全停止,进而细胞发生衰亡、死亡(传代3050次以后)。1.3培养细胞生长的条件1.31细胞的营养需要 a基本营养物质:氨基酸、维生素、碳水化合物及一些无机离子
8、b促生长因子等物质 c此外激素也可有助于细胞生长1.32细胞的生存环境 a温度: 适宜的温度与取材的动物种类有关 b气相及pH:一般气体环境为95%空气加CO2的混合气体.pH: 7.2-7.4 c渗透压 d无污染及无毒:无毒是培养细胞的必须条件。1.4细胞传代1.41细胞传代方法 根据细胞生长恃点,传代方法有3种。 a 悬浮生长细胞传代 b 半悬浮生长细胞传代(Hela细胞) c 贴壁生长细胞传代 采用酶消化法传代。常用的消化液有0.25的胰蛋白酶液。1.42贴壁生长细胞传代方法 a 吸光培养瓶中的培养液, PBS冲洗两次。 b 加入0.25的胰蛋白酶液(以消化液能覆盖整个瓶底为准)静置2-
9、10 min(显微镜下动态监测)。 c 当贴壁细胞周边变圆时,加入培养液中和胰酶(等体积)。 d 用吸管吸取瓶内培养液,反复吹打瓶壁细胞,形成细胞悬液。 e 吸取1/101/40细胞悬液,接种于新的培养瓶内。 f 加适量新鲜培养液于接种了细胞悬液的新培养瓶内。 g 将后者放入培养箱中培养。1.5细胞冻存和复苏1.51细胞冻存方法 (预先配制冻存液: 含20%血清培养基 10% DMSO )a 消化细胞,将细胞悬液收集至离心管中。b 1000rpm离心10分钟,弃上清液。c 沉淀加入含保护液的培养液,计数,调整至5106/ml左右。d 将悬液分至冻存管中,每管1 ml。e 将冻存管口封严。如用安
10、瓿瓶则火焰封口,封口一定要严,否则复苏时易出现爆裂。f 贴上标签,写明细胞种类,冻存日期。冻存管外拴一金属重物和一细绳。g按下列顺序降温:室温4(20分钟)冰箱冷冻室(30分钟)低温冰箱(30 1小时)气态氮(30分钟)液氮。1.52细胞复苏方法a从液氮中取出冷冻管,迅速投入3738 水浴中,使其融化(1分钟左右)。b打开冻存管,将细胞悬液吸到离心管中。c 1000rpm离心10分钟,弃去上清液。d沉淀加10ml培养液,吹打均匀,再离心10分钟, 弃上清液。(细胞数量少的情况下,复苏时可省略步骤4。)e加适当培养基后将细胞转移至培养瓶中,37培养,第二天观察生长情况。D.L.斯佩克特,2001
11、2细胞电融合2.1概念细胞融合(cell fusion)是指两个或多个细胞通过质膜融合形成单个双核或多核细胞的现象称为细胞融合,结果产生杂交细胞(hybrid),亲本相同的融合细胞称为同核体(homokaryon),反之称为异核(heterokaryon).当细胞置于非常高的电场中,细胞膜就变得具有通透性,能让外界的分子扩散进细胞内,高强度电场脉冲也能引起细胞融合,这一现象叫做电融合。Zimmermann,et al.1980图2.1是在体细胞核移植克隆多莉过程中用到的细胞融合途径。 图2.1 体细胞核移植克隆多莉过程图2.2细胞电融合过程及其优点将悬浮细胞在低压交流电场(100200v/cm
12、)中聚集成串珠状细胞群,或将培养细胞形成单层接触,然后加高压电脉冲(11.8kv/cm, 脉冲宽0100s),导致胞间细胞质沟通,造成细胞融合。其优点有:效率高;杂交频率高,为PEG法的100倍;操作方便,对细胞无毒害作用;可在显微镜下操作.2.3应用如图2.2所示。 图2.2 细胞电融合的应用实例 Neumann,et al.1982 3 细胞电穿孔(Electroporation) 3.1概念 当细胞置于非常高的电场中,细胞膜就变得具有通透性,能让外界的分子扩散进细胞内,这一现象被称为电穿孔。汪和睦,2000 因为细胞膜随后必须重新愈合,以使细胞复原,所以外界电场只能以间歇方式也就是脉冲方
13、式进行。 有人证明用振荡电场脉冲进行电穿孔有更高的效率。 3.2应用 运用这一技术,许多物质,包括DNA、RNA、蛋白质、药物、抗体和荧光探针都能载入细胞。 作为一种基因转导方法,电穿孔已被广泛用于各种细胞类型,包括细菌、酵母、植物和动物细胞。Simon, J. R.1993图3.1酵母细胞的电穿孔图3.2电穿孔的应用4 离心分离技术(Centrifugation)4.1概念 离心技术是利用不同物质之间的密度等差异,用离心力场进行分离和提取的物理分离分析技术,广泛用于生物学、医学、农学、化学、化工等领域。赵立新,et al.20064.2 差速离心 (Differential centrifu
14、gation)4.21特点:介质密度均一;速度由低向高,逐级离心。4.22用途:分离大小相差悬殊的细胞和细胞器。4.23沉降顺序:核线粒体溶酶体与过氧化物酶体内质网与高基体核蛋白体。可将细胞器初步分离,常需进一步通过密度梯度离心再进行分离纯化。下图4.1为差速离心的示意图。赵立新, et al.2006图4.1差速离心分离细胞器成分4.3 密度梯度离心 用介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度,将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部,通过离心力场的作用使细胞和细胞成分分层、分离。4.31类型:速度沉降、等密度沉降。4.32常用介质:氯化铯、蔗糖、多聚蔗糖。4.33分离活细胞的介质要求: 1)能产
15、生密度梯度,且密度高时,粘度不高; 2)PH中性或易调为中性; 3)浓度大时渗透压不大; 4)对细胞无毒。4.34速度沉降 (velocity sedimentation) 用途:分离密度相近而大小不等的细胞或细胞器。 特点:介质密度较低,介质的最大密度应小于被分离生物颗粒的最小密度。 原理:介质密度梯度平缓,分离物按各自的沉降系数以不同的速度沉降而达到分离。4.35等密度沉降 isopycnic sedimentation 用途:分离密度不等的颗粒。 特点: 介质密度高,陡度大,介质最高密度大于被分离组分的最大密度。力场比速率沉降法大10100倍,需要高速或超速离心。 原理:样品各成分在连续
16、梯度的介质中经过一定时间的离心则沉降到与自身密度相等的介质处,并停留在那里达到平衡,从而将不同密度的成分分离。下图4.2为速度沉降和等密度沉降的示意图(比较)。 图4.2 Velocity (A) and Equilibrium (B) sedimentation5 流式细胞计量术(Flow cytometry)流式细胞术(FCM)定义:FCM是以流式细胞仪为检测手段的一项能快速、精确的对单个细胞理化特性进行多参数定量分析和分选的技术。Nunez,R.20055.1流式细胞仪分选原理及结构5.11工作原理: FCM是一种在计算机技术支持下的高度自动化的细胞显微 荧光脉冲分光光度仪。 5.12基
17、本组成结构a、液流系统 样品流和鞘流b、光学系统 激光、透镜组、光电倍增管等。c、数据处理系统下图5.1是流式细胞仪的示意图。M.A.van Dilla et al,1985图5.1流式细胞仪原理示意图5.2流式细胞的应用a、淋巴细胞及其亚群的分析b、淋巴细胞功能分析c、白血病免疫分型d、肿瘤耐药基因分析f、在AIDS病检测中的分析g、自身免疫性疾病相关HLA 抗原分析5.3流式细胞在测定细胞凋亡和周期中应用下图5.2是细胞周期分析样品曲线。A为正常培养细胞用DAPI染色后的周期分布;BWEI S期和G2期的增长;C为G2期停滞图5.2 细胞周期分析样品曲线 下图5.3是在使用FAS单抗诱导前
18、后的检测结果。图片由SUNBIO生命科学实验中心数据库提供.横坐标是Annexin-V FITC, 纵坐标是PI,左上、右上、左下、右下四个象限中右上象限代表死亡的细胞,左下象限是存活的细胞,右下象限是凋亡的细胞。图5.3 流式细胞仪检测凋亡细胞6 微流孔芯片(Microchannel, Lab-on-chip)6.1概念 微流控芯片是以微管道为网络连接微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有光、电和流体输送功能的元器件,最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等分析功能集成为一体的微全分析系统。它已成为目前分析仪器发展的重要方向与前沿。微流控芯片的出现不仅可使珍贵的生物试样与试
19、剂消耗大大降低到微升甚至纳升级,而且使分析速度成十倍百倍地上升,从而为分析测试技术普及到千家万户创造了条件。林炳承,et al.2008图6.1 微流控芯片的制备6.2 微流控芯片技术在细胞学中的应用(1) 细胞操纵(2) 细胞培养(3) 单细胞检测(4) 其他应用6.21磁力操纵法 磁力操纵常采用免疫磁珠。 原理:特定的细胞表面抗原能与包被在磁珠上的特异性抗体结合,在外加磁场作用下,含有特异性抗原的细胞被吸附而滞留在磁场中,而没有该种表面抗原的细胞则不能与抗体结合,没有磁性,不能在磁场中停留,从而使不同的细胞得到分离。6.22细胞培养 微流控芯片具有相对封闭的多维网络结构,通道尺寸与细胞尺寸
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