原子力显微镜

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2、AFM检测细胞弹性以及力学性质
Yong-xia Ding, Yuan Cheng, Mechanical characterization
of cervical squamous carcinoma cells by atomic force microscopy at nanoscale, Med Oncol, 2015, 32:71
检测了体外培养24小时的肿瘤细胞的模量， 发现它们比正常细胞要柔软70%。这些肿瘤 细胞是从肺癌、乳腺癌和胰腺癌病人的胸
膜积液中取的。

Lekka M, Laidler P, Ignacak J, Łabedz M, Lekki J, Struszczyk H, Stachura Z, Hrynkiewicz AZ. The effect of chitosan on stiffness and glycolytic activity of human bladder cells. BBA-Mol Cell Res. 2001;1540:127–36
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四、AFM存在的问题
1、定位精度不够高 作为主流纳米位移驱动器的压电陶瓷，存在着
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5、AFM观察生物大分子之间相互作用
DNA-protein interactions
Gilmore JL, Suzuki Y, Tamulaitis G, et al. Single-molecule dynamics of
the DNA-EcoRII protein complexes revealed with high-speed atomic force microscopy. Biochemistry 2009;48:10492-8
当GroES与GroEL结合后，它诱导近端GroEL的一个构型变化，
增加中心空洞的体积。当中心孔洞可以与不成熟蛋白接触 时，在ATP的存在下，我们可以由AFM成像看到GroEL形成 的由闭合变成开启的形式。AFM记录的数据也可以清晰显 示出开启形态的GroEL比闭合的有更高(taller)的结构。
检测细胞间的局部刚度（local stiffness）
T47D细胞被附着在包被了伴刀豆球蛋白A的微悬臂上
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4、AFM观察动态生物过程
AFM也是观察细胞生物过程的非常有效的工具。Haeberle
等用AFM记录了单个病毒颗粒从被感染细胞中释放的过程。 Ohnesorge以类似的方法研究了痘病毒和活细胞，得到了 痘病毒感染活细胞全过程的AFM图。通过活着的细胞观察 子代病毒颗粒-并用AFM在水溶液环境中在分子水平分辩 出有规则重复的烙铁状结构(宽7-11nm长60-90nm,和准有 序的环状结构(直径5-10nm)观察中发现在感染前后最初几 小时,细胞并无显著变化;子代病毒粒子沿细胞骨架进入细 胞内部,还发现了胞吐、病毒颗粒聚集等现象。
Braga等在生理条件下观察了大肠杆菌受抗
生素作用后的形态变化。对大肠杆菌的外 膜进行观察，所获得的AFM图像清楚地显 示出在大肠杆菌的外膜上有突起，其中含 有成百上千个脂多糖分子LPS，也许就是这 些LPS斑有效地控制着革兰氏阴性菌的外膜 通透性。
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1、AFM对细胞膜表面形态的研究

关维，纪晓龙，范丽娜，原子力显微镜对正常细胞、肿瘤细胞细胞膜表面形态结 构的观察，中国实验诊断学，2006,10（9）
用2%的福尔马林溶液和枸橼酸盐缓冲液适 制备AFM标本，观察了人成纤维细胞（Fb cell），人宫颈癌细胞（Hela cell），人乳
腺癌细胞（Mcf7 cell），人成纤细胞癌变细 胞（Ma-Fb）。
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1、AFM对细胞膜表面形态的研究

关维，纪晓龙，范丽娜，原子力显微镜对正常细胞、肿瘤细胞细胞膜表面形态结 构的观察，中国实验诊断学，2006,10（9）
原子力显微镜（AFM）
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目录
AFM的成像原理
AFM用于生命科学的优势与特点
AFM在细胞生物学中的应用 AFM存在的问题 AFM最近的研究进展 总结与展望
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一、AFM的成像原理
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy ，AFM），是扫描探针
显微镜（Scanning Probe Microscopy）的一种。它将一个对微弱 力非常敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品并其 相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。 扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信 息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信 息。
也发现人类膀胱上皮肿瘤细胞的硬度和可变形性比正
常细胞有所下降。
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3、AFM检测活细胞间相互作用
将一种细胞连接在AFM扫描探针的尖端，
使针尖功能化，对另一种单层排列的细胞 进行扫描就可以进行细胞间相互作用的研 究。
Thie等利用AFM第一次界定了滋养细胞和子
宫内皮细胞间的相互作用。
Thie M, Interactions between trophoblast and uterine
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4、AFM观察动态生物过程

Yamashita H, Taoka A, Uchihashi T, et al. Single-molecule imaging on living bacterial cell surface by high-speed AFM. J Mol Biol 2012;422:300-9
分子伴侣的行为。 GroEL是大肠杆菌中的一种分子伴侣，而 GroES被称为辅分子伴侣
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5、AFM观察生物大分子之间相互作用
Protein-protein interactions

Yokokawa M, Wada C, Ando T, et al. Fast-scanning atomic force microscopy reveals the ATP/ADP-dependent conformational changes of GroEL. EMBO J 2006;25:4567-76
epithelium:monitoring of adhesive forces, Hum.Reprod. (1998) 13 (11):3211-3219.
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3、AFM检测活细胞间相互作用
Thie等利用AFM第一次界定了滋养细胞和子
宫内皮细胞间的相互作用。
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3、AFM检测活细胞间相互作用
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1、AFM对细胞膜表面形态的研究
邢晓波，原子力显微镜研究不同刺激条件下T细胞的形态和生物
力学特性，激光生物学报，2013,22(6)：496-504 （暨南大学）
静息
刺激处理后
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2、AFM检测细胞弹性以及力学性质
细胞的纳米机械性能结合其他生物物理特性(
如形态学、表面围观结构和纳米结构等)，可 对细胞健康与否进行定性甚至定量分析，如利 用AFM测量出的细胞弹性性质识别癌细胞，以 及辅助诊断红细胞相关的各种疾病。
由于病变与细胞的形态和力学的性质有关，利 用原子力显微镜可以简便迅速的获取信息，从
细胞层面上对各种疾病进行早期诊断和治疗， 因此AFM探究细胞弹性在病理学研究中起着非 常重要的作用。
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2、AFM检测细胞弹性以及力学性质
赫兹模型的理论公式
式中，F为记载在微悬臂上的力；E为杨氏模量；R为针尖的曲率半径； ν为泊松比，对于细胞类软样品取0.5；δ为下压深度。
3
AFM的核心部分
1.由针尖和微悬臂组成的力传感器
针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变d之间遵循胡克定律 （Hooke Law）: F=-k▪d 其中，k为微悬臂的弹性系数，d为微悬臂的弯曲形变距离。 测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作 用力的大小。
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AFM的核心部分
2.监测微悬臂弯曲变形的光电装置
微镜）要小得多 操作样品时无须导电，无须低温等真空条件 能在多种环境中运作，如空气、液体等，可以对活细 胞进行接近实时的观察 能提供生物分子的高分辨率三维图像 能以纳米尺度的分辨率观察局部电荷密度和物理特性， 测量生物分子之间的作用力（如受体-配体） 能对单细胞、单分子进行操作（如在细胞膜上打孔、 切割染色体） 可以与其他分析技术或显微镜互补
[J]2011;278:3025-31
Yokokawa and Takeyasu将兔子肌肉中的钙 离子泵提纯出来，放在云母板上的脂质环 境中，用fastXY模式来检测钙离子泵运动的 动力学过程。他们发现这一过程受到钙离 子和ATP的共同影响。而且在一种钙离子泵 抑制剂毒胡萝卜素的存在下，动力学过程 被抑制。
每500ms拍摄一次，可以看出蛋白质在DNA
上的结合情况
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6、AFM测定细胞电学性质
在原子力显微镜系统中增加导电模块，在
细胞样品和探针之间加一个偏压，在扫描 的过程中，同时获得样品的表面形貌和电 流信息，且在成像的同时检测探针和细胞 样品之间的电流。
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6、AFM测定细胞电学性质
意义：
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AFM的工作模式
接触模式（contact mode）
非接触模式（non-contact mode）
轻敲模式（tapping mode）
6
AFM的工作模式
几种力同时作用于微悬臂
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二、AFM用于生命科学的优势与特点
样品制备简单，对样品的破坏较其他技术（如电子显




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三、AFM在细胞生物学当中的应用
AFM对细胞膜表面形态的研究
AFM检测细胞弹性以及力学性质
AFM检测活细胞间相互作用 AFM观察动态生物过程 AFM研究生物大分子之间相互作用 AFM测定细胞电学性质
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1、AFM对细胞膜表面形态的研究

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Braga PC;Ricci D Atomic force microscopy:Application to investigation of Escherichia coli morphology before and after exposure to cefodizime1998(01)
大量研究表明，肿瘤细胞与正常细胞的杨氏模量是不
同的，这说明了杨氏模量可以作为一个新的肿瘤“标 记”。 高分辨率的成像技术如环境扫描电子显微镜（ESEM） 可以用来拍摄细胞表面的形态，来证明两者的区别。
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2、AFM检测细胞弹性以及力学性质

Cross SE, Jin YS, Rao J, Gimzewski JK. Nanomechanical analysis of cells from cancer patients. Nat Nanotechnol. 2007;2:780–3

Ramin Omidvar, Atomic force microscope-based single cell force spectroscopy of breast cancer cell lines: An approach for evaluating cellular invasion, Journal of Biomechanics 47(2014)3373–3379.
发现了趋磁细菌细胞表面的网状结构，动 力学图像揭示了在小孔边缘的颗粒是如何 进出这些结构的。第一次用AFM观察到了
活细胞表面的分子动力学，直接展示了孔 蛋白类结构在磁性颗粒穿过细胞膜的过程。
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4、AFM观察动态生物过程
Yokokawa M, Takeyasu K. Motion of the Ca2+-pump captured. FEBS
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5、AFM观察生物大分子之间相互作用
Protein-protein interactions Yokokawa M, Wada C, Ando T, et al. Fastscanning atomic force microscopy reveals the ATP/ADP-dependent conformational changes of GroEL. EMBO J 2006;25:4567-76 研究了细胞内与蛋白质折叠的调节相关的