新纳米微滴管pH生物传感器将有望用于癌症治疗

双筒纳米探针用于同时进行SICM成像和pH测量操作

金泽大学纳米生命科学研究所的Yuri Korchev和Yasufumi Takahashi，伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的Yanjun Zhang和来自英国、中国、日本、俄罗斯合作机构的同事们在最近的一篇论文中解释道，“很明显，酸性细胞外pH值在癌细胞生长、侵袭和对抗治疗中起着至关重要的作用。尽管人们越来越认识到直接环绕在细胞周围的pH值作为细胞健康指标的重要性，但是现有测量技术在灵敏度、可提供的空间分辨率和对pH值变化的响应速度方面仍然受到限制。”Zhang、Takahashi、Korchev及其同事发表在《自然通讯》上的论文中描述了一种新型纳米微滴管pH生物传感器，该传感器对0.01单位以下的pH值变化非常敏感，响应时间为2 ms，空间分辨率为50 nm。

研究人员最初将传感器设计为纳米微滴管离子场效应晶体管，其中的栅极控制着纳米微滴管中离子的流动。虽然这种设计解决了围绕pH值敏感性和空间分辨率的问题，但是由于离子库仑阻塞效应阻碍了离子的扩散速率，该装置的读数仍需要花费几秒钟来响应pH值的变化。

Zhang、Takahashi、Korchev及其同事现在提出的解决方案是结合两性离子膜以实现更快的响应。通过使用双筒纳米微滴管（只有一个筒应用了离子膜），研究人员得以将另一个筒作为扫描离子电导显微镜（scanning ionic conductance microscope, SICM）同步进行拓扑测量。

团队成员在活的癌细胞上进行测试，并展示了该装置如何从缺乏雌激素的乳腺癌细胞浸润性表型中检测到细胞外pH值的增加。他们还可以检测光合作用中，由于无机碳的吸收所导致的暴露于阳光下藻类的pH值变化，并且可以从高分辨率pH值图中识别出侵袭性黑色素瘤细胞的异质性。

研究人员着重强调了该装置可以实时反馈所控制的细胞外pH值动态3D映射，并且可以检测出“无标记和亚细胞分辨率”癌细胞的异质性。他们总结道，“该方法有助于癌症的诊断、预后和评估酸性pHe（细胞外pH值）靶向治疗。”

利用反馈控制的双筒SICM-pH纳米探针对活黑色素瘤细胞进行高分辨率3D pHe映射。单次SICM扫描同时获得低缓冲活性黑色素瘤A375M细胞的3D SICM地形图（左柱）和3D pHe分布图（右柱），显示了高度多样化的pHe分布模式。比例尺：20 μm

先前技术的局限性

目前，最常用的pH探针基于微电极，与细胞外pH研究中pH值波动范围相比，微电极体积较大。替代方案包括基于分子荧光的变化，核磁共振成像以及正电子发射计算机断层扫描。然而，荧光监测易受背景噪音和光漂白的影响，其他技术的空间分辨率较差，并且由于其基于探针在组织内的分布而难以定量。

通过使用纳米微滴管作为离子场效应晶体管，研究人员得以克服限制现有技术的大多数问题。但是，相互排斥的电荷会导致库仑阻塞效应，这种效应会抑制带正电荷的质子化水分子在纳米微滴管管中的扩散，从而减缓了响应时间。

两性离子膜

两性离子是包含带相反电荷官能团的不带电荷分子。针对纳米微滴管中的两性离子膜，研究人员使用多聚赖氨酸（poly-l-lysine, PLL）和葡糖氧化酶（glucose oxidase, GOx）自组装水凝胶，具有成本低、稳定性好等优点。PLL具有带正电荷的季胺基，Gox具有带负电荷的羧酸残基。戊二醛蒸汽可以交联所得的PLL/Gox水凝胶。

中性pH条件下，两性离子膜同时具有带正电荷和负电荷的官能团，但在低pH条件下，正电胺基官能团占主导地位，因此负离子优先通过膜扩散，从而避免了离子库仑的阻塞。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13535-1

作者： 麦姆斯咨询殷飞