技术简介
非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology, NMT)是实时测定进出活体材料离子和小分子流速的技术,是生理功能研究的最佳工具之一。
什么是NMT | 三分钟看懂非损伤样品检测 |
活体乳腺肿瘤组织O2、H+检测 | 原代神经元Ca2+流检测 |
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非损伤微测技术(NMT) 自从1974年美国海洋生物学实验室(MBL,Marine Biological Laboratory)的神经科学家Lionel F. Jaffe提出原初概念,到1990年成功应用于测定细胞的Ca2+流速,已经解决了众多科学问题。2001年,中国学者许越先生与Dr.Jaffe以美国扬格公司 (YoungerUSA, LLC) 为依托,进一步完善系统功能和用户体验,初步形成了现代NMT的雏形。2002-2005年,美国扬格公司以其优越的技术性能,为美国航空航天局某项目提供技术服务。2005年起,美国扬格公司与旭月(北京)科技有限公司展开全面战略合作,逐步完成了非损伤微测技术及系统的商业化,并且建立了完善的售后服务体系。随后,为了降低系统价格,美国扬格公司与旭月公司又联手推出了在中国组装的非损伤微测系统,继续不遗余力地推动非损伤微测技术在中国的应用和普及。
在非损伤微测技术的进一步发展和完善过程中,旭月公司获批的直接和相关技术专利已超过20项,形成了完善的知识产权保护体系,为非损伤微测技术在中国的未来发展奠定了法律基础。
应用常问解答(FAQ)
非损伤微测技术已经应用在哪些领域中了?
非损伤微测技术测定的指标包括电压、电流、流速和方向,因此可以应用的领域非常广泛。
目前可以成熟测定离子和分子有:H+、Ca2+、Na+、K+、Cl-、Mg2+、Cd2+、Cu2+、Pb2+、NH4+、NO3-、IAA、O2、H2O2。
这些离子涉及到基本的物质组成和生物学功能,因此可以应用在植物学、动物学、微生物学、医学、环境科学、材料科学等领域。
应用非损伤微测技术已经做了哪些研究?
- 重金属污染与治理机理研究
- 生态环境监测与分析
- 植物与微生物相互作用研究
- 光合/呼吸作用研究
- 植物营养研究
- 植物逆境研究
- 植物发育调控研究
- (干)细胞凋亡检测与研究
- (干)细胞活性检测与研究
- (干)细胞及组织生理调控研究
- 肿瘤药理研究与药效评价
- 糖尿病、肿瘤、老年痴呆症等疾病研究
应用非损伤微测技术需要哪些准备?
非损伤微测技术的仪器易于操作,测定过程直观可视化,准备起来相对其他实验要简单,最重要的是需要一个好的实验设计,然后准备实验材料,摸索或者设计好测试体系,然后就可以获得数据。因此,进行生物材料的实验时需要准备的主要有三个方面:
- 实验设计:需要对实验有深刻的认识,了解离子流速和分子流速在研究中的作用,设计合理的实验对照和实验过程说明要解决的问题。
- 实验材料。
- 测试体系:即测定时材料所处的液体环境。
中国科学家使用非损伤微测技术的文章都刊登在哪些杂志?
Science
Nature
Cell
Plant Cell
Plant Physiology
Plant, Cell and Environment
New Phytologist
Analytical Biochemistry
Physiologia Plantarum
FEBS Journal
Neurogastroenterology and Motility
Mycorrhiza
Journal of Plant Physiology
Journal of Agronomy and Crop Science
Tree Physiology
Planta
Journal of Integrative Plant Biology
BMC Plant Biology
Journal of Biological Chemistry
Plant Signaling & Behavior
World Journal of Gastroenterology
Journal of Proteome Research
Molecular Plant
科学通报
Environmental Science & Technology
Ecotoxicology and Environmental Safety
Bioresource Technology
PLoS ONE
Physiologia Plantaru
Journal of Experimental Botany
British Journal of Pharmacology
Chinese Medical Journal
Biochemical Pharmacology
Plant Cell Reports
Plant Cell
Tissue and Organ Culture
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Tab Title 1
应用实例
应用实例
随着非损伤微测技术的快速发展,在诸多领域广泛应用,取得了大量的科研成果,在主要学科中的应用如下:
{tab=植物学|grey}
(1)蛋白功能研究
分子伴侣通过蛋白激酶调控质膜H+-ATPase的活性
北京生命科学研究所的郭岩研究组使用非损伤微测技术对拟南芥根部的H+流进行了原位活体测量,证实了分子伴侣J3、蛋白激酶PKS5及质膜H+-ATP酶相互作用对植物适应逆境的影响,文章发表于植物学最高水平杂志《Plant Cell》。文中提到的Microelectrode Ion Flux Estimation技术是非损伤微测技术的一种。
Yang YQ, et al. Plant Cell, 2010, 22: 1313 - 1332.
(2)植物抗逆的研究
离子流的转换对胡杨抗盐起到关键作用
北京林业大学陈少良研究组使用非损伤微测技术研究了胡杨(抗盐品种)和群众杨(盐敏感品种)根部和根原生质体在盐胁迫下的Na+、H+、Cl-流的变化情况,发现胡杨抗盐的机制在于其根部质膜上具有高活性的Na+/H+逆向蛋白和较强的离子转运能力。
Sun J, et al. Plant Physiology, 2009, 149: 1141 - 1153.
(3)植物生长发育的研究
钙调素引发Ca2+的内流
中国科学院植物研究所林金星研究组使用非损伤微测技术研究了白芊花粉管的Ca2+流,发现白芊花粉管生长过程中对钙调素(Ca2+-calmodulin)分子的抑制会引发Ca2+内流的改变,进而改变胞内Ca2+浓度导致花粉管的畸形。这是对钙调素分子功能的全新认识。
Chen T, et al. Plant Physiology, 2009, 149: 1111 - 1126.
(2)与(3)是2009年在同一期《Plant Physiology》发表的两篇应用非损伤微测技术(NMT)的研究论文。
如果您对以上的研究感兴趣,或者有疑问,请您直接和美国扬格(旭月北京)测试中心联系,我们将和您一起讨论非损伤微测技术应用于您的科研的可行性,帮助您设计一个合适的实验方案。
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电话:010-8262 2628,8262 2629
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{tab=动物学|grey}
青鳉幼鱼线粒体富集细胞NH4+的吸收依赖于Na+的吸收
中国台湾的科学家使用非损伤微测技术对青鳉幼鱼皮肤表面线粒体富集细胞(MRCs)的H+、Na+和NH4+的流速进行了测定,发现Na+/H+交换器(NHE)与Na+和NH3/NH4+的转运相关,提高胞外的NH4+浓度显著抑制NH3/NH4+的分泌和Na+的吸收。相反,提高溶液的酸性可增强细胞对NH3/NH4+的吸收和Na+的分泌。Na+的吸收与NH3/NH4+的外排是通过淡水鱼的MRCs实现,也说明了与斑马鱼通过HRCs细胞对Na+的吸收作用机制不同。
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{tab=微生物学|grey}
菌根化过程的信号转导机制
葡萄牙的Feijó实验室使用非损伤微测技术研究了离子流在菌根生长过程中的作用,发现真菌侵染主要作用于根部伸长区,离子运动及根部酸化发生了剧烈变化,且离子流变化呈现周期性。通过这项研究他们构建模型解释了植物养分吸收和生长加速是通过侵染真菌所介导,依赖于pH的变化,发现Ca2+在这一过程中发挥了重要的作用,这为揭开植物和真菌共生互作提供了证据和模型。
Ramos AC, et al. New Phytologist, 2009, 181: 448 - 462.
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{tab=医学|grey}
(1)骨骼研究
骨骼作为离子交换的器官
《Bone》杂志报道了几位科学家使用非损伤微测技术测定生理状态下骨骼的Ca2+流,发现Ca2+在ECF溶液中出现内流,在无Ca2+的ECF溶液中出现外流,这种内外流的转变在整个实验期间都非常稳定。当添加
Marenzanaa M., et al. Bone, 2005, 37: 545 - 554.
(2)伤口愈合
电流激活伤口愈合的信号通路
加州大学的赵敏实验室使用非损伤微测技术研究了内生伤口的电流,测定了Na+、K+和Cl-电流,发现电信号通过激活特定的酶,可以调控伤口愈合过程中细胞的迁移,并选择性地激活信号通路。
Zhao M, et al. Nature, 2006, 442: 457 – 460.
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{tab=环境科学|grey}
鱼胚胎耗氧作为环境监测的指标
普渡大学的科学家使用非损伤微测技术检测了鱼胚胎的O2流,发现在微量有机污染物作用下,鱼类胚胎O2内流量会显著降低。这是真正意义上的环境污染生物学监测手段,表明污染物的作用可能比原先预计要严重的多。这项技术可用于其他有机生命体,如果将胚胎鱼结合使用于瘤细胞,能够检测到潜在的致癌药物,或帮助发现新的治疗目标。这项研究非常令人欣慰,它能够成为保护人类健康的一项潜在应用工具。该研究采用非损伤微测技术来监测环境毒物的存在,为水质监测提供了新的思路和方法。
Sanchez BC, et al. Environmental Science & Technology, 2008, 42: 7010 - 7017
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{tab=材料科学|grey}
腐蚀机制和动力学研究
葡萄牙的科学家使用非损伤微测技术检测了镁合金在NaCl水溶液中的腐蚀行为,对镁合金的腐蚀机制进行了精确清晰的描述,这项技术为研究金属材料微区域电化学腐蚀过程的机制和动力学提供了一个有力的工具。
Lamaka SV, et al. Electrochemistry Communications, 2008, 10: 259 - 262.
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{tab=结合应用|grey}
(1) 非损伤微测技术与膜片钳技术的结合
离子通道调节细胞凋亡早期的K+外流
墨西哥和澳大利亚的科学家使用非损伤微测技术和膜片钳技术研究了细胞凋亡,发现1μM STS(十字孢碱)会快速引起K+外流,同时记录到Kbg通道的电流增加,伴随着膜去极化的急剧下降。Kbg通道调节早期的K+外流,Kv1.3通道在后期起到主要作用。这一研究为认识细胞凋亡的内在机制提供了新的证据,这种实时和便于操作的研究手段有望在临床等实际应用领域诊断或检测凋亡细胞。
Valencia-Cruz G, et al. American Journal of Physiology-Cell Physiology, 2009, 297: C1544 - C1553
(2) 非损伤微测技术与荧光/激光共聚焦技术的结合
胞内Ca2+的增加来源于胞外的Ca2+内流
葡萄牙的Feijó实验室使用激光共聚焦显微镜技术测定了细胞内Ca2+的同时结合使用非损伤微测技术测量了进出细胞的Ca2+流。细胞融合一旦发生,使用非损伤微测技术测得一个显著的Ca2+内流,证实了了胞外Ca2+的内流参与了胞内Ca2+浓度升高这一过程。
Antoine AF, et al. Nature Cell Biology, 2001, 3: 1120 - 1123
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非损伤微测技术是通过微电极和微传感器获取离子和分子的信号,基于Nernst方程和Fick's第一扩散定律计算离子和分子的浓度和流速,能够获得非常细微的信号,流速能够达到10-12 mol • cm-2 • s-1。在生命科学领域,应用非常广泛,是连接生命功能的桥梁。在环境科学领域,非损伤微测技术的高灵敏度是人们探知环境恶化的预警系统。在材料科学领域,对于人们认识材料在液体环境中的性能提供了一个新颖的评价手段。
以Na+浓度梯度和Na+微电极为例说明非损伤微测技术离子选择性微电极的工作原理。
Na+离子选择性微电极通过前端灌充液态离子交换剂(Liquid Ion Exchanger,LIX)实现Na+的选择性。该微电极在待测离子浓度梯度中以已知距离dx进行两点测量,分别获得电压V1和V2。两点间的浓度差dc则可以从V1、V2及已知的该微电极的电压/浓度校正曲线(基于Nernst方程)计算获得。D是离子的扩散常数( 单位:cm2•sec-1),将它们代入Fick第一扩散定律公式J = - D • dc/dx,可获得该离子的流动速率(pico mol • cm-2 • s-1) 即:每秒钟通过每平方厘米的该离子/分子摩尔数(10-12级)。
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注:荧光染料/光纤、纳米碳丝、酶电极、金属/合金等均可用来实现对某种离子/分子的选择性测量。
非损伤微测技术的测量有如下优势:
- 活体、原位、非损伤测定:生理功能研究,获取正在发生的信息
- 时间分辨率高:0.2—1s(响应时间),3.5s—18.5s(测量时间),能够快速获得细胞的早期事件
- 空间分辨率高:0.5 μm—10 μm,能够测定单细胞,甚至原生质体、液泡等细胞器
- 灵敏度高:10-12~10-15mol•cm-2•s-1
- 长时间测量:可进行长达几个小时,甚至更长时间的实时和动态监测
- 多种离子同时测量:研究离子间的相互关系
- 不用提取样品:直接测量,不需要研磨等传统的提取方法
- 动态实时测量:动态实时地测量和获取数据,可视化结果
- 操作便捷:很多操作通过自动控制可以实现
- 多个尺度上的测量:整体、器官、组织、细胞、甚至细胞器都可以测量(大于5μm)
- 立体3D流速测量:可在样品外进行X、Y、Z三维数据采集,清晰阐明样品及流速的空间相互关系