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流式細(xì)胞術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

  流式細(xì)胞術(shù)在細(xì)胞生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、分子生物學(xué)以及臨床腫瘤學(xué)、臨床血液學(xué)等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本節(jié) 概要介紹它們的技術(shù)途徑及主要原理,大家可以從中看出它們是和細(xì)胞化學(xué)密切相關(guān)的。

  一、FCM應(yīng)用的技術(shù)途徑

  FCM是通過測量細(xì)胞的多種參量來獲取信息的。細(xì)胞參數(shù)分為結(jié)構(gòu)參量和功能參量兩大類。結(jié)構(gòu)參量主要用于描述細(xì)胞的化學(xué)組分和形態(tài)特征;功能參量主要是描述細(xì)胞整體的理化和生物特性。這些參量有的需要經(jīng)熒光標(biāo)記方可測定,有的并不需要熒光標(biāo)記。DNA以及RNA的含量,蛋白總含量、胞內(nèi)pH值和細(xì)胞大小等為結(jié)構(gòu)參數(shù);細(xì)胞周期動力學(xué)、特殊配體的鑒定、特殊細(xì)胞的生物活性等則為功能參數(shù)。

  1.DNA和RNA的測量和分析DNA和RNA的含量可以用多種熒光探針標(biāo)記后測出。對細(xì)胞內(nèi)DNA含量的測定可用于細(xì)胞生物學(xué)方面的研究和臨床腫瘤學(xué)的診斷;測量RNA的含量可用于血液中的網(wǎng)織紅細(xì)胞的檢測和計數(shù);DNA和RNA含量的測定可以用于區(qū)別細(xì)胞周期中的G0和G1期。常用的熒光探針有吖啶橙(AO,Acridine·orange)、派洛寧Y(PY,Pyronine Y)、HO(Hoechst)系列和色霉素A3(CA3)等。利用HO/CA3雙染色還可分析DNA的堿基組成。還可以結(jié)合Brdu (Bromodeoxyuridine, 溴脫氧尿嘧啶核苷)單克隆抗體免疫熒光來測定細(xì)胞內(nèi)DNA合成。

  2.蛋白質(zhì)總量測定用FCM可以測定細(xì)胞中蛋白的總含量,以檢測一個細(xì)胞群體生長和代謝的狀態(tài),或區(qū)別具有不同蛋白含量的細(xì)胞亞群,如血液中的白細(xì)胞的分類。檢測總蛋白的常用熒光探針為異硫氰基熒光素(FITC,F(xiàn)luorescein isothiocyanate),F(xiàn)ITC以共價鍵方式與蛋白上帶正電的殘基結(jié)合。

  3.特殊配體的測定配體是與不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)特異結(jié)合很強的各種大分子和小分子,通過對特異性的熒光標(biāo)記的配體的測定可以獲得不少有關(guān)結(jié)構(gòu)參量和功能參量的信息。例如用標(biāo)記的外源凝集素可檢測細(xì)胞表面糖;用標(biāo)記抗體可測表面抗原;用標(biāo)記多聚陽離子可檢測細(xì)胞表面電荷;用標(biāo)記的激素、生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)和病毒等可檢測細(xì)胞受體;用標(biāo)記的大分子、微生物等可檢測細(xì)胞的內(nèi)吞性;用熒光素標(biāo)記的親和素以及帶有DUTP的生物素衍生物的DNA探針跟靶細(xì)胞的DNA雜交能夠檢測原位的特殊基因等。這方面的應(yīng)用范圍廣、有前途,已經(jīng)成為研究細(xì)胞和組織中的抗原、基因和各種生化過程的強有力的新技術(shù)。用于這方面工作的熒光探針主要有FITC、若丹明系列(如四甲基異硫氰基若丹明TRITC、異硫氰基若丹明X-RITc 和美國德州紅等)、藻膽蛋白系列等。由于各種熒光探針具有不同的光譜特性,在使用中要注意正確地使用激光光源和濾片。

  4.生物活性的測定就生物流行性來說,主要包括兩方面工作:①細(xì)胞本身的死活;②活細(xì)胞生物功能發(fā)揮的強弱。前項工作單一,后項工作要復(fù)雜得多。FCM用來判斷細(xì)胞死活的常用熒光探針有二大類:一類是能透過活的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)而發(fā)出熒光的物質(zhì);例如下醋酸酯熒光素(FDA,flourescein Diacetate)它可被活細(xì)胞持留而發(fā)出黃綠色熒光;若細(xì)胞有損傷則會從細(xì)胞中流失,觀察不到熒光。另一類是不能透過活細(xì)胞膜,但能對固定的細(xì)胞及膜有破損的細(xì)胞的核進(jìn)行染色,例如碘化丙啶(PI,Propidium iodide)和溴化乙錠(EB,Ethidium bromide )就是常用的第二類熒光探針。

  用FCM來測定活細(xì)胞生物功能發(fā)揮方面和性能的指標(biāo)很多。例如可用來測細(xì)胞膜電位、細(xì)胞內(nèi)pH值和細(xì)胞內(nèi)鈣等,這些都和細(xì)胞的激活密切相關(guān)。FCM也可用來測膜結(jié)構(gòu)的流動性或微粘度等。有報告可以用FCM代替51Cr的放射免疫分析來測定天然殺傷細(xì)胞(NK, Natu-ral killer cells)對靶細(xì)胞毒理學(xué)活性的大小。

  二、FCM的典型應(yīng)用簡介

  下面簡單介紹FCM在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的典型實例,以求對FCM應(yīng)用的全面了解,并能深入了解FCM在免疫細(xì)胞化學(xué)中應(yīng)用的背景。

  1.在細(xì)胞生物學(xué)方面的應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)是FCM應(yīng)用最廣泛也是最基本的領(lǐng)域,細(xì)胞周期分析是其基本分析內(nèi)容之一,而實施的技術(shù)途徑是通過測定細(xì)胞周期各時相的DNA含量來達(dá)到的。

  眾所周知,細(xì)胞周期由G1期、S期、G2期和M期所構(gòu)成的。各期細(xì)胞的DNA含量如下:G1期為2C,G2期和M期為4C,S期則在2C到4C之間。所以在FCM的DNA直方圖上形成的譜線則為峰分布,而且G1峰的道數(shù)恰好是G2和M峰道數(shù)的一半(圖10-7)。研究表明:對于正常細(xì)胞群,各周期時相的細(xì)胞數(shù)的比例是同一的;對于惡性病變的細(xì)胞群則是非均一的(圖10-8)。

圖10-7 細(xì)胞周期的DNA直方圖

圖10-8 細(xì)胞周期中的細(xì)胞數(shù)目與腫瘤的關(guān)系

  臨床腫瘤病學(xué)已經(jīng)注意到細(xì)胞動力學(xué)的重要性。研究工作表明:腫瘤細(xì)胞對化療和放療的敏感程度與細(xì)胞的增生率高低密切相關(guān);采取細(xì)胞同步化(Cell Synchronization)措施可以提高療效。例如可以使用雌激素這種外源性藥物讓雌激素受體陽性的乳腺癌細(xì)胞同步化。

  臨床微生物學(xué)可以用FCM對大量細(xì)菌的DNA和RNA含量進(jìn)行測量,進(jìn)行微生物鑒定、醫(yī)學(xué)常規(guī)中的細(xì)菌抗生素敏感試驗和傳染活性的測定。

  FCM優(yōu)良的分析和分選功能在分子遺傳學(xué)領(lǐng)域也能充分發(fā)揮。例如流式細(xì)胞核型分析技術(shù)就是用FCM對染色體進(jìn)行分類、純化,檢測或定量測量細(xì)胞表面或內(nèi)部由特異基本所編碼的成份。這方面的成果已用在畜類性別的預(yù)選擇,以及對人類計劃生育等方面的工作。

  2.在免疫學(xué)方面的應(yīng)用 FCM以它的快速、靈活及定量的特點被廣泛地應(yīng)用于免疫學(xué)的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用的各個方面,尤其是結(jié)合單克隆抗體技術(shù),在免疫分型、分選、腫瘤細(xì)胞的免疫監(jiān)測、機(jī)體免疫狀態(tài)的監(jiān)測、免疫細(xì)胞的系統(tǒng)發(fā)生及特性研究等方面更能起到重要作用,成為現(xiàn)代免疫技術(shù)的重要組成部分。基于免疫技術(shù)是免疫細(xì)胞化學(xué)分析技術(shù)的基礎(chǔ),我們著重介紹FCM在免疫應(yīng)用中的技術(shù)問題。

 。1)免疫應(yīng)用的激發(fā)光源和濾片系統(tǒng):適用于免疫技術(shù)的FCM的激發(fā)光是氪離子氣體激光器,光譜中波長為531nm和856nm的譜線最強。為了擴(kuò)大儀器對雙標(biāo)記或三標(biāo)記染色的熒光信號的分辨范圍可使用雙激光光源。

  為了減少細(xì)胞由于激光束造成的散射光對光電倍增管的影響,要使用貼有干涉膜的濾片系統(tǒng)。為了同時測定兩種波長以上的熒光信號,光路中還要使用二向性分光元件。

  為了測定伴隨細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程所產(chǎn)生的早期免疫及生化性質(zhì)的改變,例如膜的流行性,DNA構(gòu)象變化等,可以使用偏振片。

  總之,應(yīng)用于免疫學(xué)時要充分考慮有關(guān)光源及光學(xué)濾片系統(tǒng)的正確使用。

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