仿生嗅覺細(xì)胞及受體傳感器的研究.pdf

1、生物嗅覺系統(tǒng)可以分辨和識別成千上萬種不同的氣味分子，具有很高的靈敏度和特異性。隨著嗅覺機理研究的不斷深入以及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們模仿嗅覺感知氣味的機理，以生物活性材料作為敏感元件，耦合各種二級換能器，構(gòu)建了多種仿生嗅覺傳感器。由于引入了嗅覺受體神經(jīng)元、天然或異源表達(dá)的嗅覺受體蛋白等生物活性材料作為敏感元件，仿生嗅覺傳感器獲得了部分生物嗅覺系統(tǒng)具有的優(yōu)點，比如靈敏度高、檢測限低、選擇性好等，可以廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測

2、、藥物開發(fā)、食品和水質(zhì)控制等諸多領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景以及商業(yè)開發(fā)潛力。
　　 目前，仿生嗅覺傳感器的研究在生物、電子、信息、材料等多種學(xué)科和技術(shù)進(jìn)步的推動下取得了較快進(jìn)展，并展現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿Α５?，該研究也面臨許多困難，比如如何獲得嗅覺相關(guān)生物活性材料并驗證其功能，如何高通量、多參數(shù)、實時地監(jiān)測生物活性材料對特異刺激的響應(yīng)，以及如何進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度和特異性以拓展其實際應(yīng)用的領(lǐng)域?；诖?，本論文在細(xì)胞和分子水平上構(gòu)

3、建新型仿生嗅覺傳感器，并對傳感器的性能及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究。首先，在細(xì)胞水平上，以嗅覺受體神經(jīng)元(olfactorysensory neurons，OSNs)作為敏感元件，以光尋址電位傳感器(light-addressablepotenTiO2etric sensor,LAPS)作為二級傳感器，構(gòu)建了一種可用于嗅覺傳導(dǎo)機理研究的單細(xì)胞傳感器。其次，在分子水平上，采用基因工程的方法把線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10表達(dá)于異

4、源細(xì)胞系-人胚胎腎(HEK-293)細(xì)胞的質(zhì)膜上，以質(zhì)量敏感型器件石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)鑒定嗅覺受體蛋白識別氣味的功能。為了獲得可以穩(wěn)定表達(dá)嗅覺受體蛋白ODR-10的細(xì)胞系，本文對ODR-10在人乳腺癌細(xì)胞MCF-7的表達(dá)做了初步研究，并以含有異源表達(dá)的嗅覺受體蛋白ODR-1O的細(xì)胞質(zhì)膜作為敏感元件，聲表面波(surface acoustic wave,SAW)器件作為二級傳感器

5、，構(gòu)建了基于嗅覺受體的新型氣敏生物傳感器。最后結(jié)合現(xiàn)代微型化技術(shù)，對生物微機電系統(tǒng)以及微流控芯片在構(gòu)建仿生嗅覺傳感器方面的應(yīng)用做了一些初步探討。
　　 本論文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)在于：
　　 1.在LAPS單細(xì)胞傳感器的基礎(chǔ)上，把嗅覺信號在嗅覺受體神經(jīng)元內(nèi)的傳導(dǎo)機理應(yīng)用于仿生嗅覺傳感器的研究，利用MDL12330A對嗅覺信號胞內(nèi)傳導(dǎo)通路的抑制作用，證實LAPS芯片記錄到的電信號來源于與其表面耦合的嗅覺受體神經(jīng)元對氣味刺激的響

6、應(yīng)，同時也提示這種仿生嗅覺傳感器可以應(yīng)用于嗅覺信號傳導(dǎo)機理的研究。
　　 2.提出一種利用增強劑提高基于嗅覺受體神經(jīng)元的LAPS單細(xì)胞傳感器靈敏度的方法。利用LY294002對嗅覺信號傳導(dǎo)通路的增強效應(yīng)，提高嗅覺受體神經(jīng)元對特異刺激的響應(yīng)，進(jìn)而提高傳感器的靈敏度。實驗結(jié)果表明，利用LY294002的增強效應(yīng)，可以將LAPS單細(xì)胞傳感器的靈敏度提高約1.5倍，并且提示這種方法也可以應(yīng)用到其它基于細(xì)胞膜電位監(jiān)測的仿生嗅覺傳感器中，比

7、如基于場效應(yīng)晶體管(field effect transistor,FET)、微電極陣列(microelectrodearray,MEA)的仿生嗅覺傳感器。
　　 3.利用基因工程技術(shù)，把線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10功能性表達(dá)于異源細(xì)胞系統(tǒng)-人胚胎腎細(xì)胞HEK-293細(xì)胞的質(zhì)膜上，分析ODR-10在異源細(xì)胞系統(tǒng)中的表達(dá)情況及其亞細(xì)胞定位，并用QCM器件鑒定其識別特異氣味的功能。結(jié)果表明這種異源表達(dá)的嗅覺受體蛋白ODR-10仍然具

8、有特異性識別其天然配體丁二酮的功能，適合作為敏感元件用于構(gòu)建基于嗅覺受體的仿生嗅覺傳感器。
　　 4.獲得可以穩(wěn)定表達(dá)線蟲嗅覺受體蛋白ODR-10的MCF-7細(xì)胞系，利用測定胞內(nèi)鈣離子濃度的方法證實其識別氣味的功能，并以含有ODR-10的細(xì)胞質(zhì)膜作為敏感元件，SAW器件作為二級傳感器構(gòu)建基于SAW器件的氣敏傳感器。結(jié)果表明這種由嗅覺受體蛋白和SAW器件構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)可以有效監(jiān)測嗅覺受體與氣味分子的相互作用，實現(xiàn)傳感器對特異性氣味