主题： O2（氧分子、氧气）流速检测成果-医学生理学

B细胞淋巴2（Bcl2）家族蛋白调节程序性细胞死亡，但是抗细胞程序性死亡蛋白如Bcl2和Bcl-x_L如何阻止细胞死亡的过程还不了解。Bcl-x_L促进线粒体和胞质之间代谢物的交换，也是成年大脑中主要的抗细胞程序性死亡的蛋白，Bcl-x_L过表达增加了突触的数量和大小。


为了研究Bcl-x_L的调节作用，耶鲁大学的科学家使用非损伤微测技术在“Nature Cell Biology”发表文章，发现过表达Bcl-x_L的神经元有更高的ATP水平，外源Bcl-x_L减少或者抑制ATP。尽管ATP水平增加，但是过表达神经元Bcl-x_L的耗氧降低，且Bcl-x_L消失后增加了氧气吸收的水平。证据表明Bcl-x_L与F₁F₀ ATP合成酶的β-subunit直接作用，减少了F₁F₀ ATP成酶复合体中的离子渗漏，因而增加了F₁F₀ ATP活动期间通过F₁F₀的H⁺转运。此外，重组Bcl-x_L蛋白直接增加了纯化的合成酶复合体ATPase活性的水平，并且外源的Bcl-x_L减少了F₁F₀酶活性的水平。发现表明在Bcl-x_L表达的神经元中增加线粒体的效率归功于增加了突触的效能。


本研究认为Bcl-x_L通过减少质子从F₁F₀ ATP酶的渗漏增加ATP合成酶的效率，因此促进了神经元的代谢。这里通过非损伤微测技术直接测定神经元的氧气流速，从而准确地认识了Bcl-x_L所引起的线粒体代谢效率的增加，为更多的代谢方面的研究提供了新手段。

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淡水生态系统的安全与否对于人类来说至关重要，所以实时监测淡水环境中有害化学物质和生物制剂的含量是否超标非常必要。近期，美国普渡大学的科学家使用非损伤微测技术建立了一套实时监测水质的系统。


这项研究报告发表在《环境科学与技术》（Environmental Science and Technology）杂志上，通过非损伤探测方法可以发现多种污染物，如除草剂阿特拉津(atrazine)，其探测敏感性十分有效，甚至能探测到低于美国国家环境保护局(EPA)的标准。该研究在五个不同的模式（包括阿特拉津、氯化镉、五氯酚、马拉硫磷和氰化钾）下对受精后两天的黑头呆鱼胚胎呼吸耗氧量的实时影响，评价黑头呆鱼胚胎处于低浓度污染物时耗氧量瞬间变化的灵敏度。处理两小时后，五氯酚、氯化镉、阿特拉津导致耗氧增加，氰化钾、阿拉特津导致耗氧减少，马拉硫磷处理没有显著影响。


本研究的负责人Marshall Portfield称，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。普渡大学提出的这一研究理论具有很大的优势，它记录了敏感生命阶段的呼吸作用。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。

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神经元是可兴奋性细胞，在突触活动及产生动作电位后，神经元要产生大量的ATP驱动离子泵以提高胞内的Na⁺和Ca²⁺水平。谷氨酸（Glu）是重要的神经递质，负责快速突触传递及突触传递强度的长期变化，并参与认知和记忆等过程；但如果过度激活谷氨酸受体，谷氨酸会导致离子平衡破坏、细胞死亡等毒性反应。


本文为明确谷氨酸神经毒性的机制，将非损伤微测技术与激光共聚焦技术结合，以大鼠幼崽大脑皮层的神经元为被测样品，用非损伤微测技术（a self-referencing O₂ electrode）检测单个神经元O₂消耗量（即O₂内流），而用激光共聚焦技术检测其胞内Ca²⁺浓度和线粒体膜电位。


研究发现，在谷氨酸作用下，细胞内Ca²⁺浓度上升，随后O₂消耗量增加，这期间线粒体膜电位也发生相应改变。该结论直接证实了下述谷氨酸毒性机理模型：谷氨酸受体被激活后能引起Ca²⁺内流，导致细胞内ATP损耗。


将非损伤微测技术与激光共聚焦等技术相结合，检测生物样品内部和外部离子分子或其他信息的变化情况，已经成为揭示生命过程机理机制的重要手段。

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1) Effects of dexpramipexole on brain mitochondrial conductances and cellular bioenergetic efficiency(Brain Research F2012-005)

2)Role for malic enzyme pyruvate carboxylation and mitochondrial malate import in the glucose-stimulated insulin secretion(American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism F2009-015)

3)Hypoxic stress in diabetic pregnancy contributes to impaired embryo gene expression and defective development by inducing oxidative stress(American Journal of Physiology - Endocrinology and Metabolism F2005-010)

4)Oxygen consumption oscillates in single clonal pancreatic beta -cells (HIT)(Diabetes F2000-011)

5)Oxidative Phosphorylation-Dependent and -Independent Oxygen Consumption by Individual Preimplantation Mouse Embryos(Biology of Reproduction F2000-010)

6)A non-invasive method for measuring preimplantation embryo physiology(Zygote F2000-002)

7)Characterization of Oxygen and Calcium Fluxes From Early Mouse Embryos and Oocytes(Biological Bulletin F1998-003)


1）O₂ and Ca²⁺ Fluxes as Indicators of Apoptosis Induced by Rose Bengal–Mediated Photodynamic Therapy in Human Oral Squamous Carcinoma Cells (Photomedicine and Laser Surgery C2015-014)