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NMT博文

在本周的《Science》的In Depth栏目,有一篇题目《一种新的癌症免疫疗法遭受挫折》的文章,作者Ken Garber就上个月美国Incyte公司一项很有希望的癌症免疫治疗药物的大规模临床试验的失败做出分析,并对该领域近年近乎疯狂的非理性发展提出质疑。timg (2).jpg(右图来自于网络)

该药物旨在通过阻断一个被称为吲哚胺(2,3) - 二氧化物酶(IDO)的酶,从而激发人体自身的癌细胞免疫系统功能。尽管已有科学家,比如德国海德堡大学的神经免疫学家Michael Platten就认为,“围绕IDO酶的随机临床试验推进的速度过快了,因为我们目前对该酶的认识仍然还只是一个黑盒子。(即:对这个蛋白质的作用机理还不是完全清楚)”

如笔者在《PC膜片钳到NMT非损伤微测技术(2)》中的联想部分指出的,生物体是多维的立体时空结构,生命活动和生理现象会发生在不同的时空尺度。试图单凭某(几)个基因或者蛋白质来解决类似于癌症这样的系统性,特别是组织生长发育相关的疾病,自然成功的概率会非常低

前两年在一次国际航班上偶然看到一个纪录片,内容是国际上一些多年从事癌症基因疗法的科学家,一致认为人类半个多世纪的,寻找癌症疾病开关基因的努力基本上是付诸东流了。美国一个基因测序设备公司,前些年连年亏损,最后出售给了一个中国生物测序公司,很有可能就是业界已经意识到了这一点后做出的本能商业反应。

此次临床试验失败,迅速在整个制药行业引起了连锁效应。已有另外三家围绕IDO药物研发的公司已经取消,暂停或缩小了他们的III期临床试验规模。虽然,现在断言围绕单个蛋白质水平的药物研发会很快步基因药物研发后尘,还为时尚早,但是就笔者在美国和中国,从两国科学家们对科学仪器追求的趋势来看,人们已经充分意识到,对相关基因/蛋白质功能的研究:

    第一,不能只停留在细胞水平;

    第二,组织水平的活体/在体研究必不可少;

    第三,目标基因/蛋白质与相关基因/蛋白质之间相互作用的‘互联网机制’的研究,将是未来的重点

Slide3.JPG

(来自于:BIO2014世界生命科学大会报告。)

图释:左图-某大企业人事经理对一个膀大腰圆的男子说,根据您的DNA检测结果,您更像是一位93岁的中国妇女,但我们公司的这份工作需要托举重物,因此我们很遗憾地告诉您,我们不能雇佣您。右图-没有活体水平生理功能上的最后鉴定,DNA/RNA/蛋白质的工作就没有落实。)

人类想尽快寻找到治愈各种疾病的迫切心态完全可以理解,但是欲速则不达。忽视了生物体的多维度,多时空的类似‘互联网机制’的特点,将某一种疾病同人体整体割裂开来进行研究研发的思路,似乎到了非调整不可的时候了

这里敏感的读者是不是还似乎嗅到了一丝中国文化和哲学的味道?!

 

 

从PC:膜片钳到NMT:非损伤微测技术

—— 活体研究智能传感技术的演进 ——

(4)优势对比

作者:刘蕴琦

 

膜片钳优势:

  • 时间分辨率高 适合如“钙火花”等极短暂生理过程的检测
  • 可检测单离子通道 可以观察到单个离子通道的信号传递

如果以上两点膜片钳的优势,并非是你的必要需求,建议您考虑非损伤微测技术 (Non-invasive Micro-test Technology, NMT),因为……

NMT优势:

  • 不损伤样品——活体检测细胞时,无需钳住细胞,不接触细胞,检测到真正的“生理信号”

视频案例 1(暨南大学王立伟教授) 

视频案例 2(山西医科大学祁金顺教授

 

  • 检测效率高——5 倍于膜片钳 为膜片钳的 5-10 倍。即用膜片钳 1 天可检测 10 个样品的话,用 NMT 可检测 50-100 个。  

视频案例

  • 可检测活体组织 因无需接触样品,除细胞外,还可检测离体或在体组织。  

视频案例 1(大鼠腿部肌肉在体检测) 

视频案例 2(斑马鱼鱼腮离体检测) 

 

  • 还可以检测分子 NMT 检测的是化学信号,非电信号。所以不带电的分子(O2、H2O2、IAA 等)、生理过程 均可检测。  
  • 可同时检测两种指标

视频案例(人乳腺肿瘤组织 H+、O2同时检测) 

  • 可直接分辨出具体的离子/分子,无需通道抑制剂 不同离子/分子,对应不同的传感器,一一对应。即 Ca2+传感器,识别的就是 Ca2+信号,不 识别 Na+、K+等其它信号。  
  • 一支传感器可检测多个样品 因不接触样品,每检测完一个样品后,传感器无需更换。一支传感器平均可检测 30 个样品。

从PC:膜片钳到NMT:非损伤微测技术

—— 活体研究智能传感技术的演进 ——

(3)现状与未来

作者:许越

 

许越,男,1967年生于北京。

  • 于1993年和2000年分别获得首都师范大学及美国麻省州立大学,植物生理学双硕士学位。
  • 2001年在美国创建基于NMT技术的美国扬格公司,次年运用NMT服务于设立在美国北卡州立大学的美国航空航天局(NASA)空间植物学研究项目。
  • 2005年成立旭月(北京)科技有限公司,在匡廷云院士、杨福愉院士和林克椿教授的帮助,以及各级政府的大力支持下,将非损伤微测技术引进中国大陆。
  • 2014年带领旭月团队提出被誉为“第二个人类基因组计划”的“动态分离子组学(imOmics)”创新概念,同年成立旭月生物功能研究院。
  • 2015年推出世界领先的“自动化非损伤微测系统”,并倡导建立中关村NMT产业联盟,开启以水安全、个体化精准医疗、粮食安全等民生应用为代表的NMT产业化进程。
  • 截至2016年,已帮助国内400多个科研单位及实验室,利用NMT实现了科研水平的跨越式发展。

PC膜片钳与NMT非损伤微测技术虽然几乎诞生在同一历史时期,但是它们的发展和普及过程却大相径庭。

1)NMT的中国特色

大家知道,各个国家对动物医学研究的投入通常要远远高于对其它研究领域的投入。下图是美国在医疗健康上面的投入是其它领域的5-10倍,在中国动物医学方面的投入大概是植物学研究的6倍左右(来自于个人通讯)。

(来源于网络)

因此,在绝大多数情况下,很多生命科学的新技术,新思路,新突破,都是来自于动物医学领域,然后传导到其它科研领域,正如在本文的第一部分(1)愿望与挑战中所叙述的那样,膜片钳技术诞生于动物神经细胞单通道离子电流(烟碱乙酰胆碱受体)的研究,90年代进入中国后,也被首先应用于动物医学研究。

然而,非损伤微测技术在生命研究领域的发展,却划出了一个自己较为独特的发展轨迹。

首先,大家去问问用膜片钳搞植物研究的科研人员,他们有多么羡慕用膜片钳进行动物医学研究的同行们,因为植物有细胞壁,研究植物的人必须要先用各种消化酶去除细胞壁后,才可以形成膜片钳技术必须的玻璃电极与细胞膜之间的高阻封接。 那么,大家可以想象,不用去除细胞壁就可以研究植物与外界环境的离子/分子交换信息,这对于搞植物研究的人该有多么大的吸引力呀!姑且不说,细胞壁作为植物细胞完整结构的一部分,在功能上更是不可或缺的重要环节,将其人为去除后,其结果的理论价值必然大打折扣外,单就技术上给植物学家们带来的简单、便捷和快速,就让大家兴奋不已。

(种康在《Cell》利用NMT发表水稻植物领域文章)

因此,在国际上自从NMT诞生之日起,植物研究学者们对它的追求从来没有逊色于动物医学研究的同行们。而中国自身为农业国,在植物领域的研究底子好,投入又大。可能也加之旭月公司创始人自身的植物研究出身的背景,使得非损伤微测技术在中国的发展一路走来,在植物领域的发展要远远胜于在动物医学的发展,数据显示,在中国科学家至今发表的200多篇NMT应用已发表文献里,80%以上是来自植物领域的研究(数据来自“中关村NMT产业联盟”http://nmtia.org)。

2)科研应用现状

膜片钳技术在这二十几年的发展使其已经深深地融入了全世界生命科研活动的各个方面。在中国也不例外,这些年我国科研人员利用该技术取得了丰硕的科研成果,尤其是植物研究领域,以武维华、种康、刘春明等为代表的科研人员利用膜片钳技术在植物生理生化方面取得了系列世界级的成果。

我国的动物医学研究方面,以周专、徐涛、王世强、王立伟、陈丽新、祁金顺等科学家为代表在诸多领域也已处于世界科技前沿。

但就我个人在国外多年的所见所闻来看,我国在动物医学方面没有比现在发展的更快更好一些的一个重要原因是中国这方面的人才流失比较严重。我在哈佛、耶鲁等大学见到很多国内培养的膜片钳高手。即:国内培养出来后,在就要出成果的时候,却来到国外为国外的课题所用了。想必周专老师他们对这点肯定有更深更多的感受吧。

非损伤微测技术在中国的普及应用,相比膜片钳技术有两个先天不足。一是进入中国要晚近10年的时间;二是没有膜片钳那样一开始便伴随着诺贝尔奖的耀眼光环。

但是,非损伤微测技术也有其自身的优势,其一是进入中国适逢国家对基础科研的投入要远远大于90年代膜片钳进入时期;二是有匡廷云、杨福愉、林克椿、叶鑫生、高荣孚、尹伟伦、赵微平、邱泽生等老一辈科学家的鼎力支持。

(来源于网络)

所以,尽管非损伤微测技术进入中国时间不长,但是发展十分迅速,不但以印丽萍、陈少良、沈应柏、许卫峰、罗志斌等中青年科学家,利用非损伤微测技术快速将自身科研提升至世界水平,刚才所列的武维华、王立伟等国内膜片钳技术专家也已利用NMT,并结合膜片钳技术做出了世界一流的科研成果。

3)技术现状

全自动膜片钳虽然已于近年面市,但是传统的膜片钳技术仍然在生理、相关基因功能验证等基础研究领域,发挥着不可替代的作用。而全自动膜片钳虽然提高了数据的单位产出量,但似乎更多地被应用于药物研发、药效评价等应用领域,其对科研基础理论的贡献和潜力还有待于观察。

(来源于旭月公司网站:http://xuyue.net)

智能自动化的NMT传感器制备装置,已经于2016年在中国市场有售,标志着非损伤微测技术开启了追赶膜片钳自动化的步伐。

尽管数据的单位时间产出量,即:高通量并不是非损伤微测技术的优势,但是,鉴于该技术的长处之一就在于它的实时测量,即在正常生理时间尺度内,揭示生物的活体生理功能。

相反,将非损伤微测技术与膜片钳技术相比,比较容易一叶障目的误区就是把非损伤微测技术的应用限制在了只是生物膜的层面。其所谓‘成也萧何,败也萧何!’,膜片钳的高阻封接成就了它的单通道测量,但同时也制约了它的测量材料的灵活性。而反观非损伤微测技术,因为不接触被测材料,所以在材料的选择上就有了极大的自由度。 特别是近年的科学发现表明,如我在 (2)时间与空间里所述,人类的各种疾病的答案,不在基因层面(半个多世纪寻找癌症基因努力的失败就是例证),甚至不在细胞层面,这就给组织层面的研究打开了广阔的新天地。当我们环顾实验室四周,能够帮助我们研究活体组织的技术凤毛麟角,而像非损伤微测技术这样完全近乎无损的技术更是难觅。

加之进一步的研究表明,比如癌症的发生发展是和其组织微环境的改变密切相关,那么,还有什么技术比非损伤微测技术,这一能够在活体状况下检测微环境中各种离子分子活性的技术更合适的呢!

山西医科大学的祁金顺教授,利用非损伤微测技术建立起的脑切片组织生理检测试验体系,就是这方面的一个很好的例证(具体描述请浏览: http://e.vhall.com/133934064或http://xbi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=516&Itemid=907&lang=cn)。

4)未来趋势

每个技术都有它自己的特色,很难完全取代对方。因此,利用各自优势,膜片钳与非损伤微测技术配合使用将是一个趋势。这里已经有一些尝试,大家可以参考一下相关文献(http://xbi.org)。

下面我就几个非损伤微测技术可以弥补膜片钳技术局限的地方跟大家分享一下,以便大家更好地结合两者使用。

(来源于美国扬格公司网站:http://youngerusa.com/)

(a)‘零’电流问题 如上图所示,当有等电荷的两种离子进出同一片细胞膜的时候,膜片钳技术将检测不到电流。而此刻科研人员可以利用非损伤微测技术的多传感器同时测量优势进行研究。

(b)其它离子运输载体和方式的研究 我们知道除了离子通道,生物细胞还有其它多种离子转运方式,它们与离子通道一起,共同担负着维持细胞和乃至整个生物体活性的各种生理功能。正如在(2)时间与空间里中所说,将PC与NMT这两个跨越不同时间和空间的技术相结合使用,对于我们更加全面的了解生物现象的本质,有着不可替代的作用。

(c)分子转运的研究 毫无疑问,NMT非损伤微测技术在O2,H2O2,葡萄糖,乙酰胆碱等与生命活动密切相关的小分子,大分子跨膜运输方面,将极大补充PC技术在这方面的不足。

(d)物理机械损伤 尽管‘高阻封接’成就了PC的单通道测量,但是其巨大的机械损伤,被证明不但是的确存在的,而且的确会产生错误的结果。那么,有另外一个相对独立的技术对PC进行验证,对科学研究的准确性无疑是个巨大利好。 广州暨南大学的王立伟,陈丽新教授,利用NMT与PC结合,发现并推翻了PC过去错误的结论的故事很好地诠释了这一点。(具体描述请浏览:http://e.vhall.com/133934064 或 http://xbi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=516&Itemid=907&lang=cn)

现实是,如图5所示,当NMT非损伤微测技术告诉你,它所涵盖的时间和空间分辨率既不同于膜片钳技术,也有别于其它荧光和放射性物质技术的时候,你的眼睛是否豁然一亮,因为在你面前出现了一个崭新的、宽阔无垠的科研蓝海!道理很简单,就是你将揭示前人从未涉足的生命现象领域,就像当年的列文虎克一样。

5)结束语

(来源于网络)

在一次社会名流的聚会上,当有人用略带轻蔑的口吻对发现美洲新大陆的哥伦布说到:“你发现美洲没有什么了不起的,只不过是你的运气比别人好些罢了!”。哥伦布没有马上说什么,而是让人拿来一个鸡蛋向在场的所有人发出挑战,看谁能够把这个鸡蛋立在桌子上。读者们中很多人知道这个故事的结局,就是在这些人费了九牛二虎之力失败之后,哥伦布‘啪’的一声将鸡蛋的一端击碎后立在了桌子上。

Neher和Sakmann发明膜片钳“不过”是在前人电生理的基础上,略微地在玻璃电极与细胞膜接触时施加了一点点负压形成‘高阻封接’而已。同样NMT非损伤微测技术的诞生,Jaffe和Newman他们“也无非” 就是让离子/分子传感器动了起来,进行‘两点测量’而已!

但就是这一看似细微的‘高阻封接’,这一看似平常的‘两点测量’,让科学家能够检测到pA(10-12)级的微弱单离子通道电流,让科学家能够检测到单个细胞离子(比如Ca2+)分子(比如O2)的10-15级进出流速。

他们就是科学界的哥伦布,帮助科学家们发现了科学世界的新大陆!

同学们,老师们,朋友们,现在非损伤微测技术已经来到了你的身边,中国人在一些领域已经实现了弯道超车,能否先于他人把这个‘蛋’矗立在你们各自的研究领域,即是摆在你们面前的挑战,大家准备好了吗?!

 

〈全文完〉

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参考文献
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  • 美国对不同研究领域的投入
  • Verkhratsky, Alexei & Parpura, Vladimir. (2014). History of Electrophysiology and the Patch Clamp. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.). 1183. 1-19. 10.1007/978-1-4939-1096-0_1.
  • Uncoupling of K+ and Cl− transport across the cell membrane in the process of regulatory volume decrease. Linjie Yang, Linyan Zhu, Yue Xu, Haifeng Zhang, Wencai Ye, Jianwen Mao, Lixin Chen, Liwei Wang. Biochemical pharmacology 84 (3), 292-302
  • 非损伤微测技术实时检测海马脑片跨膜钙离子流。《生理学报》2017年 第4期 | 李甜 原丽 张军 焦娟娟 祁金顺
  • 文中相关文献可以到旭月研究院网站下载

从PC:膜片钳到NMT:非损伤微测技术

—— 活体研究智能传感技术的演进 ——

(2)时间与空间

作者:许越

 

许越,男,1967年生于北京。

  • 于1993年和2000年分别获得首都师范大学及美国麻省州立大学,植物生理学双硕士学位。
  • 2001年在美国创建基于NMT技术的美国扬格公司,次年运用NMT服务于设立在美国北卡州立大学的美国航空航天局(NASA)空间植物学研究项目。
  • 2005年成立旭月(北京)科技有限公司,在匡廷云院士、杨福愉院士和林克椿教授的帮助,以及各级政府的大力支持下,将非损伤微测技术引进中国大陆。
  • 2014年带领旭月团队提出被誉为“第二个人类基因组计划”的“动态分离子组学(imOmics)”创新概念,同年成立旭月生物功能研究院。
  • 2015年推出世界领先的“自动化非损伤微测系统”,并倡导建立中关村NMT产业联盟,开启以水安全、个体化精准医疗、粮食安全等民生应用为代表的NMT产业化进程。
  • 截至2016年,已帮助国内400多个科研单位及实验室,利用NMT实现了科研水平的跨越式发展。

时间分辨率和空间分辨率,指的是一个检测技术能够在时间和空间上提供的最小分辨单位或数值。列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek)发明的能够看到活细胞的显微镜,就是在人类观察世界的空间分辨率上的一次大的提升。

膜片钳技术之所以能够在90年代获得诺贝尔奖,一个很重要的原因就是它将人类对世界的感知能力,在时间分辨率上提升到毫秒级别,在空间分辨率上细小到微米级以下(请见下表),而且是对生物活体进行检测。

(非损伤微测技术与膜片钳及荧光等化学技术在时间空间分辨率上的区别。)

1. 时间

(膜片钳技术典型数据图。来源于网络)

膜片钳技术可以轻而易举地捉捕到毫秒级(ms)的离子通道的开放和关闭。这点让依靠反应时间最快也需要秒级的NMT离子分子传感器的非损伤微测技术望尘莫及。即使有的NMT分子传感器,比如O2传感器反应速度可以达到0.8秒(800ms),但面对离子通道的开关研究也无能为力。

(非损伤微测技术典型数据图。来源于网络)

然而,如果我们的科研需要几十分钟,几小时,甚至几十小时地跟踪研究活体材料的离子/分子活动,非损伤微测技术的时间方面的优势就体现了出来。因为只要科研人员有办法保持样品的活性,由于NMT传感器不和被测材料进行接触,所以时间上对非损伤微测技术就不是一个制约因素。有时即使NMT流速传感器在实验过程中失效了,或不小心损坏了,没有关系,马上换上一个好的传感器就是了,只要你的样品还正常就没有问题。

2. 空间

膜片钳技术通过全细胞等多种灵活的记录方式(见下图),极大地丰富了膜片钳与被测材料之间的空间关系,但是由于该技术对玻璃电极与材料之间高阻封接的必须要求,使得膜片钳技术对于大于微米材料的操作显得力不从心。

(膜片钳技术的多种测量构形。来源于网络)

非损伤微测技术由于不需要接触被测材料,因此在被测材料的选择,特别是材料大小上面,相比膜片钳就有了非常大的自由度(见下图)。比如,最近面市的‘NMT活体生理检测仪’可以检测从微生物群体,一直到小型个体(如斑马鱼)的各种大小材料离子/分子的进出情况。

(非损伤微测技术可以鉴测试的各种活体材料举例。)

膜片钳与非损伤微测技术在时间和空间分辨率上面各有千秋,可以根据科研需要进行合理选择。有时也可以联合应用则能够更加说明问题,不但两者在时间和空间上可以相互印证,而且非损伤微测技术所测得的离子信号是除离子通道在内,还包含有离子载体和转运体等多种离子运输载体的共同贡献。同时还有多糖吸附,细胞或组织表面的电化学作用,以及各种离子分子相互影响的物理,生物和化学的综合作用的结果。

因此也是更加贴近真实的生理状态的结果。 还有就是我们可以人为设计这些样品的检测环境,使其更加接近它们真正的活体状态。别忘了,毕竟您手中握有的是非损伤微测技术!

3. 引发其他联想

这里有很多时候没有引起生命科学工作者足够重视的两个地方:

1.生物体是多维的立体空间结构,生命活动和生理现象发生在不同的时间尺度

2.每一项技术都有其在时间分辨率和空间分辨率上的特色或极限

具体而言:

1.生物体是多维的立体空间结构,生命活动和生理现象发生在不同的时间尺度

随着60年代DNA概念的提出,80年代生物化学的迅速崛起,90年代分子生物学的风靡全球,到近些年各种组学的盛行,科学界一部分人似乎认为只要搞定生命的各种组成成份,就可以解决人类的生老病死等等一切问题了。

然而,半个世纪之后,人们终于承认人类寻找癌症等病魔的开关基因是不存在的。前一段时间,某些企业想通过基因序列为社会提供疾病/健康预测的服务尝试,也被以美国FDA为首的各国医药管理部门叫停,原因就是这些静态成份数据不足以支持建立基因组成与各种疾病之间的必然联系。

也就是说,忽视生物体的在时间和空间上多维度的特点,所得到的结果也必然不能够反映生命活动的根本真实面目,其衍生的各类实际应用也必然是空中楼阁。

2.每一项技术都有其在时间分辨率和空间分辨率上的特色或极限

也正是由于相当一段时间以来,以生物化学,分子生物学和现在的各种组学为代表的,在生物体成份研究为主导的学科教育和科研大环境下,使得很多从事生命科学研究工作的朋友们,对于某一项技术的时间和空间分辨率定位不是很敏感。

现实是,如图5所示,当NMT非损伤微测技术告诉你,它所涵盖的时间和空间分辨率既不同于膜片钳技术,也有别于其它荧光和放射性物质技术的时候,你的眼睛是否豁然一亮,因为在你面前出现了一个崭新的、宽阔无垠的科研蓝海!道理很简单,就是你将揭示前人从未涉足的生命现象领域,就像当年的列文虎克一样。

 

 

〈未完待续〉

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参考文献
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  • 旭月研究院网站 http://xbi.org
  • 美国扬格公司网站:http://youngerusa.com
  • 印莉萍, 上官宇, 许越. 非损伤性扫描离子选择电极技术及其在高等植物研究中的应用. 自然科学进展. 2006, 16(3):262-266.
  • 丁亚男,许越.非损伤微测技术及其在生物医学研究中的应用.物理. 2007, 36(7): 548-558.

从PC:膜片钳到NMT:非损伤微测技术

—— 活体研究智能传感技术的演进 ——

(1)愿望与挑战

作者:许越

 

在活体状态下进行研究,是生命科学家追求的最佳方法和始终不渝的愿望。

能够检测到活体细胞单离子通道电信号的膜片钳(PC :Patch Clamp)技术,于1990年获得诺贝尔奖之后,迅速传入中国(周专等1990,许越等1993)。几乎在同一时期诞生的非损伤微测技术(NMT:Non-invasive Micro-test Technology),这一能够检测从细菌到整条斑马鱼各种大小活体材料的离子分子进出流速的技术,于2005年落地中国大陆(印莉萍等2006,丁亚男等2007)。 从某种意义上来讲,膜片钳技术是一种间接的离子传感器技术,它需要后续通过能斯特公式的计算,告诉我们它所检测到的电流究竟是哪种离子产生的。非损伤微测技术从一开始追求的就是一种能够直接检测离子甚至分子的技术,就如同实验室的pH计和O2浓度计一样,通过选择性/特异性的离子/分子传感器,直接告诉我们所测活体材料内部或外部离子分子的变化。

(膜片钳技术原理及其举例说明。来源于网络)

但是,可以想像这种美好愿望必定道路坎坷崎岖,主要有下面三大挑战:

1. 选择性/特异性离子/分子传感器(物质)的研发

这类传感器的研发始终就不是一件十分容易的事情。以玻璃电极pH计为例,从德国科学家Fritz Haber 1909年开始研发,直到1934年才由美国科学家Arnold Beckman发明现代意义上的pH计,经历了20多年的努力。

随后人们又尝试着用其它物质,如高分子化合物,和其它技术,如荧光技术,纳米技术,电化学技术等等来实现离子/分子的选择性/特异性测定。直到1981年(Schulthess等,1981),人们才发现了一种中性载体的高分子液态化合物,它可以和H+进行高选择性的结合,并使其电学性质发生改变,比如引起该液态化合物的两侧电压产生变化。

(H+的中性载体分子结构式。来源于网络)

这里有一个容易混淆的概念,就是离子/分子传感器与离子/分子指示剂的区别。传感器是可以随着被测环境里的离子/分子浓度的变化而产生相应化学和电学变化的技术,而指示剂(比如pH试纸)是对被测环境里的某一时刻的离子/分子浓度做出的一次性的化学或电学反应。两者最大的区别在于,传感器的反应是双向可逆的,而指示剂反应是单向不可逆的。这也是为什么传感器的研发更具挑战性的原因。

2. 传感器的反应速度及其电学漂移

我们都有这样的体验,就是在实验室里使用pH计的时候,要想获得一个稳定的读数,就必须要耐心地等上一会儿,少则十几秒,多则几分钟。这就是我们常说的传感器的反应时间。这是因为一定浓度的H+与固体传感器(这里可能是玻璃)之间形成一个稳定的动态平衡是需要一定时间的。

那么,自然而然大家会想到,如果我们使用液态传感器是不是就可以缩短等待时间,提高传感器的反应速度了?的确是这样,这也是为什么非损伤微测技术使用的是液态离子交换剂(其主要成份就是上面提到的中性载体高分子化合物),从而将反应时间缩短到几秒以内。

但是,事情还没有完。我们都知道尽管拿到了一个相对稳定的读数,但当我们把pH计放到那里一会儿,读数还是多少会有所变化,这就是电学或电子漂移。就是这个漂移,尽管人们可以把传感器(电极)做得非常小(市场上现在有不少这样的微电极),但我们仍无法研究活体生物,无论是体内还是体外的离子/分子浓度的细微变化。

这也是膜片钳和非损伤微测技术的伟大之处,就是它们用各自不同的方法,在能够告诉科学家所测的是什么离子(NMT还有分子)的同时,还能够克服这些电漂移准确地告诉我们这些离子/分子的大小(NMT还能告诉我们方向)。

3. 细胞内部及外部的化学及非化学物质的干扰

离子/分子选择性/特异性传感器最初的研发者们,总会抑制不住本能的冲动将这些传感器插入活体生物材料,想看看能不能直接读取这些材料体内的离子/分子浓度信息。然而,无论这些传感器能够做到多小,一个微米甚至以下,还是定位技术多么高超,细胞内的各种离子,蛋白质,多糖,高分子化合物等等,将这些传感器尖端部位团团包围,很快使其信号失去可信度。

然而膜片钳通过置换玻璃电极,甚至细胞内外的环境溶液,巧妙地解决了来自于细胞内部及外部的各种干扰,因此其信号的可信性是无可挑剔的。

那么,离子/分子选择性/特异性传感器技术能否借鉴膜片钳的思路,设计或找到一个可以控制的液体环境,从而让自己的数据坚实可信。就是基于这样的想法,促使NMT非损伤微测技术诞生了(Kühtreiber等1990)。

 

(以Na+选择性传感器为例说明NMT非损伤微测技术原理。来源于旭月研究院xbi.org)

〈未完待续〉

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参考文献
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  • 周专,康华光. 国产膜片钳仪研制成功. 生物化学与生物物理进展, 1990,11(2): 128~137
  • 许越, 邱泽生. 膜片钳技术及其在高等植物细胞研究中的应用与展望. 植物生理学通讯 1993, 29(3): 169~174
  • 印莉萍, 上官宇, 许越. 非损伤性扫描离子选择电极技术及其在高等植物研究中的应用. 自然科学进展. 2006, 16(3):262-266.
  • 丁亚男,许越.非损伤微测技术及其在生物医学研究中的应用.物理. 2007, 36(7): 548-558.
  • https://www.wonkeedonkeetools.co.uk/soil-ph-meters/a-brief-history-of-the-ph-meter/
  • P. Schulthess, Y. Shijo, H.V. Pham, E. Pretsch, D. Ammann, W. Simon, A hydrogen ion-selective liquid-membrane electrode based on tri-n-dodecylamine as neutral carrier. Anal. Chim. Acta 131, 111 (1981).
  • Kühtreiber WM1, Jaffe LF. Detection of extracellular calcium gradients with a calcium-specific vibrating electrode. J Cell Biol. 1990 May;110(5):1565-73.

《科学》抗药性的困局与出路:中国的机遇?

1.全球挑战与解决方案 

本周的《科学》(Science Vol 360, Issue 6390, 18 May 2018)期刊聚焦了由于过度或长期使用各种抗菌药、杀虫剂和除草剂,导致人类目前所面临的,或即将面临的无药可用的窘境。为此科学家们各抒己见,提出了各种方案。

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(来自于网络)

 

在《可恶的进化:我们能摆脱杀虫剂抗性导致的社会生物学困境吗?》一文提出的证据表明,昆虫和杂草的演化会超过人类研发新的化学物质的速度。因此作者们指出必须将生态,遗传,经济和社会政治因素放在一起通盘考虑,才有希望解决这个问题。 

《利用基因组技术分析抗菌病原体的出现和传播》则寄希望于全基因组测序(WGS)技术来揭示细菌病原体中抗微生物耐药性(AMR)在时间和空间演变的内在规律。并提出利用这种规律来更有效地使用现有的和未来的抗菌剂,并且能够延长它们的使用周期。 

《利用生物制剂进行生物修复和解毒的前景展望》则把希望寄托在原核生物的代谢可塑性上,并提出可以用它们的这个特点来进行生物修复和解除环境有毒物质,比如从废水处理到生境恢复。 

《抗真菌药物的抗药性对人类健康和粮食安全构成的全球性挑战》也指出为了避免人类控制真菌感染的能力在全球范围内崩溃,我们必须加强对现有化学品的管理,加速新的抗真菌药物的研发,并利用新兴技术寻找替代解决方案。


2. NMT非损伤微测技术的机会?! 

概括一下上面综述的主要论点,无外乎寄希望于综合治理筛选新技术的出现两个方面。

在综合治理方向,科学家梦将抗性的时间和空间演变规律作为主要突破口。正如笔者在《从PC膜片钳到NMT非损伤微测技术》(2)时间与空间中指出的那样,未来科研的发展将在不同的时间和空间维度展开。但同样如笔者在博文《《科学》癌症免疫疗法非意外受挫:中国的机会?》单靠基因组技术不能够完全解决生理层面的问题,这在人类半个多世纪寻求癌症开关基因的努力失败中已得到证明。 

因此,非损伤微测技术在从细胞器到器官等不同空间结构和从秒级到数小时的时间范围内,对抗性的规律和发生机制可以进行多时间和多空间的发掘和检测。这对于在抗性基础研究方面苦苦摸索的科学家们来讲,可谓是从海岸浅滩驶入了浩瀚的太平洋。而对于抗药性应用研发的工程师们来说,工具上无疑是从小舢板换成了辽宁舰。

在筛选新技术方面,当我们回顾英国科学家弗莱明(Alexander Fleming)1928年发现盘尼西林的过程时,从被杀死的细菌们的角度,如果它们可以说话的话,当有盘尼西林出现的时候,它们的一定会是这张卡通里下方的那个表情,大喊大叫。而右侧的NMT非损伤微测技术数据将直观地告诉科研人员,我们的尝试方向是否正确。 

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现在,让我们再温习一下非损伤微测技术的另一个定义,即:NMT是一个通过离子分子流速检测,揭示生物活体与外界环境进行信息交换的工具。

我们知道非损伤微测技术从细胞器,到微生物都可以活体检测,而且其分子流速检测的灵敏度可以达到femto10-15molescm-2s-1)级,完全可以胜任筛选工作。而且,不同的离子分子流速图谱将从信号传导、能量代谢、生长发育等等多方面进行更为全面,多时间空间维度的筛选。

  

3.为什么是中国的机遇? 

技术优势:

中国目前是世界上,拥有非损伤微测系统实验室数量最多的国家,也是非损伤微测技术从研发到技术支持专业人员最多的国度。而且十几年来积累了一批这方面的专家,教授和学生群体。因此,无论在技术还是人才方面,中国都有着傲视世界的先发优势。

 

文化优势:

历史有时总是惊人的巧合和一致。在西方政治零和游戏日薄西山的时候。西方的科学也似乎难以跳出非友即敌的科研思路。尽管他们也想进行‘综合治理’‘生物防治’,但显然中国人在这方面有着天然的优势。

 

政策优势:

当今如火如荼的贸易战,国有大企业的被人一剑封喉,使得国家意识到核心技术的重要性。而抗药性的基础和应用研究,对于一个国家的安全和人民生命健康保障的重要性是不言而喻的!

 

当然,挑战与机遇永远并存,非损伤微测技术在抗药性领域的应用才刚刚开始(请见下面文献)。但既然我们开着航母来到了太平洋,那就只有勇敢向前,直到抵达胜利的彼岸!

 

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参考文献

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NMT文章常见审稿人问题解答技巧

--- 你如何确定测到的数据就是某某离子或分子流速?


尽管NMT:非损伤微测技术在中国生物学界几乎已经家喻户晓,但是在世界范围内对于很大一部分科学家,仍属于阳春白雪。那么当我们的科学家向国际期刊投递了应用了NMT的科研论文的时候,面临着过去很少遇到的一个棘手问题就是,这些国际期刊审稿人对于NMT并不像大家所期望的那样熟悉,此时的老师和同学们在惊讶之余,多少也感受到了一些‘高处不胜寒’的滋味儿。也就是说,来自于先进技术的实验数据固然是个优势,但是如何回答这些不熟悉NMT的审稿人的有关NMT的一些细节方面的问题,还是有一定难度的,因为毕竟大家的兴趣所在是NMT产出的数据,而非其技术本身。这既是一个可理解的客观事实,但也暴露了我们实现弯道超车时,对于技术细节理解的欠缺和不够扎实。因此,我认为有必要在这里和大家分享一下这方面的知识和经验,让大家更有信心去冲击各自学术领域的理论高峰!


“如何确定所测到的数据是某某离子或分子的流速?”,是NMT文章审稿人的高频问题之首。这个问题的棘手之处在于它实际上包含了生命科学家不是很擅长的非生物学问题,一是离子分子的选择性/特异性定性问题,二是流速的概念和定量问题。下面分别说明。

1)如何简单说明NMT离子分子传感器的选择性/特异性定性问题?

或许是近些年,特异性/选择性的离子分子传感器/电极技术发展的过于迅猛,很多科研人员对于这一点似乎还没有反应过来和充分的认识,没有从过去传统的化学/荧光/光度计/放射性标记等方法中跳出来。尤其是像我们有些多年使用膜片钳技术的老师们,根本不能相信一个长得和膜片钳玻璃电极长得几乎一样的东西,前面灌冲了几微米的化学物质就可以直接告诉科学家此时检测到的是什么离子啦?!特别是略知一些膜片钳技术的学者都知道,膜片钳是要通过置换电极内外溶液,电压钳位,后续计算等复杂步骤才能够确定所测得的电信号是哪种离子(详情请见笔者博文PC膜片钳到NMT非损伤微测技术

有一些极端的例子,是我们和应用膜片钳技术多年的老师沟通NMT时,要花费老师非常多的时间,甚至是勇气来认识到NMT是可以这么简便快速地检测离子,甚至分子的。这说明我们大家先入为主的思维定势是多么的厉害!但是,也正因为如此,我们也完全理解了老师和同学们在面对审稿人的某些问题时的无助与无奈!除了我们必须有极大的耐心之外,我们还是应该在如何能给别人讲明白里面的道理上多下些功夫!下面就是我们过去积累的一些尝试,和大家一方面在这里分享,一方面希望能够抛砖引玉,因为我们自己何尝不是身在NMT的庐山中。

“从已知到未知”一直以来似乎是人们比较容易接受新鲜知识的有效途径。

这里我们不妨就用科学家,尤其是生命科学家都熟悉不过的pH计为例来说明NMT离子分子(电极)传感器的特征。pH计本质上就是H+传感器,随溶液环境里的H+浓度而变化,通过校正就可以知道未知溶液的pH值。NMT的H+传感器则是小型化了的,通过尖端LIX(液态离子交换剂)实现对H+进行选择性测量的装置。

那么,NMT分子传感器则是利用电化学/荧光染料/碳纳米等技术,实现的对某种分子的选择性或特异性检测。通常我们给审稿人们解释到这里就可以了,把省下的解释交给前人的技术文献去完成即可。

2)如何说明所测到的离子分子流速概念? 

这里我们以NMT-H2O2分子传感器为例,说明如何设计和实施一个实验,一举两得地向审稿人同时证明在测量的是什么离子/分子,以及检测到的是它们流速,而不是其它假象。不必紧张,通常这个工作可以委托国内的NMT专业测试中心来完成,不必自己动手。

我们把这类实验叫做,NMT(人工)流速信号源实验,有时也会根据具体的离子/分子进行称呼,比如这里的实验是围绕着H2O2,因此,我们也可以称它为‘NMT-H2O2流速信号源实验’。

信号源实验非常简单,就以H2O2的实验为例,将较高浓度的H2O2灌冲到一个开口约为几个微米的玻璃毛细管中,将其固定在一个乘有你实验测试液的培养皿的边缘(如下图所示),静置30分钟后,在玻璃毛细管尖端的周边液体里就会形成一个H2O2的分子浓度梯度。换个角度理解,就是我们制作了一个人工H2O2流速信号源,或H2O2流速源。

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下面我们引入H2O2流速传感器,对这个刚刚制作的人工H2O2流速源进行检测。将H2O2传感器在红黄绿三点进行依次测量后,如果这些流速值满足Ficks'第一扩散定律公式,那么我们就一次验证了两个问题,一是测到的是H2O2,二是的确有一个H2O2流速源存在。

通常,我们会建议老师同学们再多走一步,让审稿人无话可说,就是在任何实验条件都不变的情况下,将人工流速源换成你的待测样品(如下图所示),并进行同样的红黄绿三点检测,并证明其符合Fick's扩散第一定律。

至此,我们利用‘从已知到未知’的原则,既解释了离子分子传感器是什么,又说明了所得流速数据和这些NMT流速传感器不容置疑的必然联系。当然,有时审稿人仍不满足这些介绍,会有其它各式各样的问题,我们将随后把我们帮助老师同学们的作答分享给大家!

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参考文献

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请大家在百度学术搜索“非损伤微测技术”即可。


《未完待续》


 

生命是3D的,现在又有了3D数据!但您知道如何使用它们吗?

尽管列文.虎克发明的显微镜,让科学家们看到人类前所未见的,小到单个细胞(cell)的生命世界。但是似乎人们的研究视野,几百年来也被更多地局限到了一个二维(2D)世界。当然,理智时刻在提醒着我们自己,我们不是平面的,我们是立体3D的。

 

今天,终于科学家们又有了一个可以让他们洞悉生命世界三维空间信息的技术,即:NMT:Non-invasive Micro-test Technique 非损伤微测技术。

 


点击观看NMT3D数据微信视频

 

上面这段视频,展示了围绕一个植物根尖,NMT是如何同时获取H+/Ca2+,以及H+/IAA3D流速数据的。请注意!这里流速是一个矢量,即:它不仅包含数据的大小信息,同时它还拥有方向这一信息。任何生命科学工作者都知道,不同的离子分子是进入生物体还是离开生物体,对于生命的意义全然不同!

 

就像我们的呼吸一样,一进一出,意义非凡!

 

现在的问题是,习惯了2D数据的我们,知道如何使用这些3D数据吗?

 


《未完待续》