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《生物医用纳米材料对细胞的作用》的目的是介绍具有生物医学应用潜力的纳米材料对细胞的作用，以及在研究中发展的新的表征和检测分析技术，为进入此领域的研究人员或者产业界人士全面了解纳米生物学和纳米生物技术的基础与应用潜力提供重要的参考。
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| 內容簡介： |
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《生物医用纳米材料对细胞的作用》共16章，分为四个部分，第一部分主要介绍纳米生物学及技术的由来，特别是纳米表征测量与分析技术在纳米生物学研究中的重要意义与典型进展（第1章绪论）；第二部分介绍生物医用纳米材料与制剂的研究，尤其是细胞相关研究中需要特别重视的工具与方法（第2-5章）；第三部分从分子与细胞的不同层面介绍纳米材料对细胞作用的研究进展（第6-13章）；第四部分主要包括纳米材料对不同细胞作用的专述及其医学应用的探索等（第14-16章）。
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| 目錄：
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目 录
《纳米科学与技术》丛书序
前目
第1章 绪论 1
1. 1 基于扫描探针显微术观细胞微纳结构及生物过程 2 1. 2 单细胞检测与分析技术 4 1.2.1 先进光学方法 5
1.2.2 质谱等谱学方法 8
1.2.3 电化学与电磁探极技术 9
1.3 细胞内生长与仿生制备纳米材 11
1.3.1 细胞中生长金、银等贵金属纳米颗粒 12
1.3.2 磁细菌与磁小体 15
1.3.3 细胞中生长化合物纳米颗粒 17
1.3.4 基于生物分子仿生合成纳米材料 18
1.4 人工纳米颗粒作用于细胞 20
参考文献 21
第2章 生物医用纳米材料的制备、特性与质量控制 33 2.1 具有生物医学应用前景的米材料 33
2.1.1 贵金属纳米颗粒 33 2.1.2 半导体纳米颗粒 34 2.1.3 磁性氧化物纳米颗粒 34 2.1.4 有机聚合物纳米颗粒含生物分子构建的纳米粒〕 34 2.1.5 碳纳米材料 34
2.2 生物医用纳米材料制备、表征与质量控制 34
2.2.1 化学组成 35
2.2.2 晶体结构与结晶度 35 2.2.3形状、尺寸及尺寸分布 36 2.2.4 表面修饰分子 36 2.2.5 等电点 36 2.2.6 聚集态 37 2.2.7 表面化学特性 37
2.2.8 光、电、磁等物理特性 37 2.2.9 稳定性 38 2.2.10 生物相容性 38 2.3 重要的生物医用纳米材料 38
2.3.1 贵金属纳米材料 38 2.3.2 金属氧化物、硫化物等无机化合物纳米材料 54
2.3.3 碳纳米材料 78 2. 3. 4有机纳米材料 89
2.4 生物医用纳米材料的体内制剂 96 2.4.1 纳米靶向制剂 96 2.4.2 透皮给药制剂 100 2.4.3 纳米制剂的体内外要求 103
参考文献 108
第3章 单细胞的操控、检测与分析 117 3.1 单细胞控制 118
3.1.1 毛细管电泳 118 3.1.2 微流控技术 119
3.1.3 光镊 120
3.1.4 磁镊 121 3.1.5 电场 122 3.1. 6 声场 123
3.2 胞结构的显微与分析 124
3.2.1 光学显微术 125 3.2.2 电子显微术 132 3.2.3 扫描探针显微术 140 3.2.4 电化学阻抗显微镜 143
3.3 单细胞的电学测量与分析 144 3.3.1 电化学方法 144
3.3.2 细胞电生理技术 145 3.3.3微纳探极技术 147
3.4 细胞结构和成分的质谱表征与分析 151 3.4.1 基底辅助激光解吸电离质谱 151
3.4.2 二级离子质谱技术 152
3.5 小结与展望 154
参考文献 154
第4章 基于微流控芯片的纳米材料细胞分析 163
4.1 微流控芯片在细胞生物学中的应用 163 4.1.1 微流控芯片上的细胞分离、分选 164 4.1.2微流控芯片上的细胞培养 164 4.1.3微流控芯片上的单细胞分析 165 4.2纳米材料在微流控芯片细胞生物学分析中的应用 167 4.2.1碳纳米管、金等纳米材料 167 4.2.2量子点 171 4.2.3 其他 173
参考文献 175
第5章 细胞的三维培养及其显微成像与分析 179 5.1 细胞的微环境与三维培养 179 5.1.1 肿瘤细胞与细胞之间的作用 180 5.1.2 肿瘤细胞与细胞基质之间的作用 180 5.1.3 低氧诱导因子对肿瘤细胞的作用 180 5.2 肿瘤细胞三维培养的基质 181 5.2.1 细胞三维培养基质的定义 181 5.2.2 细胞三维培养基质的设计原则 181 5.2.3 细胞三维培养基质的种类 181 5.2.4 细胞三维培养基质的制备方法 182 5.3 三维培养在肿瘤研究中的应用 187 5.3.1 用于肿瘤细胞的药物评价 187 5.3.2 肿瘤干细胞的富集 190 5.3.3 用于肿瘤细胞侵袭转移的研究 190 5.4 细胞三维生长的显微成像与分析 191 5.4.1 以显微成像与分析技术研究细胞的三维生长 191 5.4.2 Micro-CT技术的发展现状 192 5.4.3 细胞团研究用Micro-CT系统的主要关键技术 194 5.5 小结与展望 197
参考文献 198
第6章 纳米材料与生物分子的作用 203 6.1 纳米材料与生物分子作用的影响因素 203 6.2 纳米粒子与蛋白分子的相互作用 204 6.3 纳米粒子与凝血因子的相互作用 204 6.3.1 凝血因子的组成和主要功能 205
6.3.2 纳米粒子与凝血因子的相互作用 205 6.4 纳米粒子与核酸的相互作用 208 6.5 纳米粒子与生物分子的相互作用及其应用研究举例 209 6.5.1 金属纳米颗粒 209
6.5.2 二氧化桂纳米颗粒 211 6.5.3 磁性纳米果页粒 212
参考文献 213
第7章 纳米材料对细胞膜的作用 218 7.1 纳米材料的跨膜转运及其机制 220 7.1.1 纳米材料的人胞方式和机制 220 7.1.2 纳米材料人胞后的代谢归宿 227 7.1.3 不同细胞摄取纳米材料的差异 228 7.2 纳米材料对细胞膜离子舰的影响 228 7.2.1 纳米材料对细胞膜钾通道的影响 228 7.2.2 纳米材料对钙通道的影响 232 7.2.3 纳米材料对钠通道的影响 232 7.2.4 纳米材料对氯通道的影响 232 7.2.5 纳米材料对超极化激活环核苷酸门控阳离子通道的影响 233 7.3 纳米材料对细胞膜离子泵的影响 233 7.3.1 纳米材料对恤Na+-K+-ATP酶的影响 233 7.3.2 纳米材料对钙泵和中枢神经递质的影响 234 7.3.3 纳米材料对细胞膜受体的影响 235 7.3.4 纳米材料对G蛋白的影响 235 7.4 纳米材料对神经细胞膜结构和功能的影响 236 7.4.1 纳米材料对突触传递和突触重塑的影响 236 7.4.2 碳纳米管在神经网络构建中的特殊优势和应用 236 7.5 纳米材料的膜毒性和膜相容性 237 7.5.1 纳米材料的膜毒性 237 7.5.2 纳米材料的性状和内吞对其膜毒性的影响 238 7.5.3 不同纳米材料的毒性差异以及不同生物种群对纳米材料毒性敏感性的差异 238 7.6 纳米技术在细胞膜功能蛋白质研究中的应用 239 7.6.1 纳米量子点技术用于研究膜蛋白循环 239 7.6.2 利用纳米技术研究内源性大麻素的人胞机制 239
7.7 展望 240
参考文献 241
第8章 纳米材料作用于细胞膜的模拟研究 246
8.1 引言 246
8.1.1 细胞膜 246 8.1.2 纳米材料对细胞膜的作用机制及对细胞膜的影响 249 8.2 材料性质对纳米材料与细胞膜作用影响的模拟研究 252 8.2.1 尺寸 252
8.2.2 形状 253
8.2.3 表面电荷性质 253 8.2.4 亲疏水性质 254
8.2.5 表面特异性修饰 255 8.2.6 浓度与聚集态 256
8.3 医用纳米载体对细胞膜的作用仿真 256 8.3.1 树枝状大分子 257 8.3.2 聚合物胶束 258 8.3.3 脂质体囊泡 261 8.4 相关研究中计算方法及模型的研究进展 264 8.4.1 不同时空尺度的舰模拟方法 265 8.4.2 分子动力学方法理论及应用概述 270
8.5 小结 279
参考文献 280
第9章 功能纳米材料及结构对细胞遗传特性的影响 286 9.1 纳米材料对细胞基因组的影响 286 9.1.1 纳米材料诱发遗传毒性的潜在机制 286 9.1.2 金属及金属氧化物纳米材料对细胞基因组的影响 288 9.1.3 非金属纳米材料对细胞基因组的影响 291 9.2 基因芯片技术在分析铁纳米材料基因毒性中的应用 301 9.2.1 基因芯片技术概况 301 9.2.2 基因芯片技术在分析铁纳米颗粒细胞效应中的应用 302 9.2.3 铁纳米颗粒对小鼠巨噬细胞基因表达谱的影响 304 9.2.4 铁纳米颗粒对两种小鼠细胞基因表达影响的比较 306 9.2.5 铁纳米颗粒对铁稳态相关基因表达的影响 312 9.3 问题与展望 315 9.3.1 纳米材料对细胞遗传特性评价的影响 315 9.3.2 检测方法对细胞遗传特性评价的影响 317
9.3.3 展望 319
参考文献 319
第10章 纳米材料对细胞周期及特性的影响 331
10.1 细胞周期 331 10.2 细胞周期调控的分子机制 333 10.3 纳米材料对细胞周期的影响 334 10.3.1 金属纳米颗粒 334 10.3.2 无机纳米颗粒 338 10.3.3 高分子纳米颗粒 340 10.3.4 功能化纳米材料 341 10.4 利用纳米材料雛细胞周期的应用 341 10.4.1 细胞周期与肿瘤治疗 342 10.4.2 利用纳米材料调控细胞周期在生物医学研究中应用 342
10.5 小结 343
参考文献 344
第11章 纳米粒子对细胞信号通路的影响 348
11.1 概述 348
11.2 纳米粒子对信号通路影响的研究进展 350
11.2.1 二氧化钛纳米粒子 350
11.2.2 银纳米粒子 352
11.2.3 磁性纳米粒子 354
11.2.4 金纳米粒子 355
11.2.5 碳纳米材料 356
11.2.6 其他纳米粒子 357
11.3 小结和展望 358
参考文献 358
第12章 生物医用纳米材料对单核吞噬细胞系统的作用 362 12.1单核吞噬细胞系统简介 363 12.2生物医用纳米颗粒对单核细胞的作用 366 12.2.1纳米金属材料 367 12.2.2无机非金属材料 372 12.3纳米颗粒对巨噬细胞的作用 376
12.3.1 量子点 376
12.3.2 纳米金 378
12.3.3 纳米银 379
12.3.4铁基磁性纳米颗粒 381
12.3.5 脂质体材料 383
12.3.6 其他纳米材料 385
12.3.7 蛋白冠 385 12.3.8 巨噬细胞对纳米材料特殊的吞噬方式 387
12.4 小结与展望 388
参考文献 389
第13章 纳米材料对细胞自噬的影响 394 13.1 细胞自噬简介 394 13.1.1 自噬是细胞维持自稳态的关键生物学过程 394
13.1.2 完整自噬和非完整自噬 395 13.2 纳米材料的细胞自噬效应 401
13.2.1 稀土纳米材料 403 13.2.2 半导体量子点 404 13. 2. 3 碳纳米材料 405 13.2.4 金属纳米材料 405
13.2.5 有机纳米材料 406 13.2.6 其他纳米材料 406
13.3 纳米材料诱导细胞自噬的生物安全性问题 407 13.3.1 细胞自噬不是细胞死亡的一种形式 407 13.3.2纳米材料诱导的细胞自噬与细胞命运的关系 407 13.3.3 通过调控纳米材料的理化性质及表面性能调控其自噬能力 408 13.4 纳米材料诱导细胞自噬效应的应用 409 13.4.1 诊疗一体化 409
13.4.2肿瘤放化疗增敏 411
13.4.3 提高抗原呈递效率 411 13.4.4 消除细胞内沉积物 412
13.5 小结与展望 413 13.5.1 细胞如何识别纳米材料而启动自噬 414 13.5.2 纳米材料引发自噬早期信号通路的过程 414
13.5.3 纳米材料在细胞中的命运 415
13.5.4 自噬溶酶体命运 416
参考文献 417
第14章 碳纳米管对免疫细胞的作用及其在抗肿瘤免疫治疗中的应用前景426 14.1 巨噬细胞对碳纳米管的吞噬作用 426
14.2 巨噬细胞对碳纳米管的免疫响应 428 14.3 碳纳米管的免疫刺激效应 433 14.4 碳纳米管的免疫效应对于抗肿瘤免疫治疗的意义 438 14.5 碳纳米管作为抗肿瘤疫苗载体的研究 443
14.6 小结与展望 445
参考文献 445
第15 章纳米材料对神经细胞的作用 449 15.1 银纳米颗粒对神经细胞的影响 450 15.1.1 银纳米颗粒的安全评价与毒性作用研究 450 15.1.2 银纳米颗粒神经毒性作用机制 452 15.2 氧化铁纳米颗粒对神经细胞的作用 453 15.2.1 氧化铁纳米颗粒在神经系统疾病治疗中的应用研究 453 15.2.2氧化铁纳米粒子的毒性作用及机制 455 15.3碳纳米管对神经细胞的作用 458 15.3.1单壁碳纳米管的毒理学 458 15.3.2单壁碳纳米管对神经细胞的作用 458 15.3.3多壁碳纳米管对神经细胞的影响 460
15.4 二氧化钛纳米颗粒对神经细胞的作用 461
15.4.1 TiO2纳米颗粒的安全性评价 462 15.4.2 TiO2纳米颗粒对神经细胞作用的机制 462 15.4.3 TiO2纳米颗粒对神经细胞的作用 463
15.5 硅纳米颗粒对神经细胞的作用 464 15.6 聚合物纳米粒对神经细胞的作用 466 15.6.1 可生物降解聚合物 466
15.6.2 Tween80包被的纳米粒 466
15.6.3 长循环纳米粒 468
15.6.4 主动靶向纳米粒 468
15.6 其他 469 15.7 纳米金应用于神经研究 470
参考文献 472
第16章 噬菌体在生物医药领域中的应用 476
16.1 噬菌体的概述 476 16.1.1 噬菌体是一种以微生物为宿主的病毒体 476
16.1.2 噬菌体的发现 476
16.1.3 噬菌体的分布 477
16.1.4 噬菌体的种类 477 16.1.5 噬菌体感染机理及侵染过程 479 16.2 噬菌体展示技术用于筛选相互作用分子 481 16.2.1 噬菌体展示原理 481
16.2.2 噬菌体展示基本步骤 482
16.2.3 噬菌体展本在研允中的应用 484 16.3噬菌体作为基因载体的研究 485
16.3.1 ?噬菌体简介 485
16.3.2 ?噬菌体生活史 486
16.3.3 ?噬菌体的可取代区 488
16.3.4 ?噬菌体的基因组特征 489 16.3.5常用的代表性?噬菌体载体 490
16.3.6 ?噬菌体载体的克隆原理及步骤 493
16.3.7 ?噬菌体作为基因载体的研究举例 494 16. 4 噬菌体与细胞相互作用及用于组织工程材料抗菌的研究 494
16.4.1 M13噬菌体引导细胞生长 495 16.4.2 M13噬菌体用做组装纳米材料 495
16.4.3 噬菌体用于抗菌试剂 496 16.4.4 M13噬菌体作为诊断试剂检测细菌 497 16.5 噬菌体鮮其他临細究 498 16.5.1 噬菌体用于肿瘤显影剂 498 16.5.2 噬菌体用于肿瘤疫苗 499 16.6 噬菌体纳米材料在生物医学中的应用前景 500
参考文献 502
索引 507
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第1章绪 论
纳米科学与技术的兴起与蓬勃发展，催生出了许多新的酿发展方向，推动了 众多新技术的跨越式进步。纳米生物学及技术的出现与进展，包括其在医学、健康 等方面的应用研究，就是其中一个重要的方面。
纳米生物学及技术，这里统称为纳米生物技术，是紧密依托于纳米表征与测 量、纳米材料、纳米器件及系统等的发展，结合生物学、医学以及健鮮的发展与应 用需求而产生并快速发展起来的重要方向。它从不同层次上研究并理解纳米材料 与器件对生物体的作用，发现相关生物效应，形成纳米材料与器件的生物医用基础 与技术，并最终实现在生物医药以及人类健康方面的实际运用。应该说，历史上大 多数新的学问或新技术的出现，通常就会立刻被考虑应用于生命科学或生物学研 究，以及用于发展医学和健康相关的新技术。例如X射线的发现，从表面上看是 因为一个偶然机会，将研究人员的手骨结构在涂有荧光物质的板子上显示出了图 像，并很快被发现，随即就被用于人体内部解剖结构的成像。而实际上，人们一旦 发现某种工具可以透视人体的内部结构，就自然会考虑将其用于探究人体的内部 情况，这实质上是一种推动医学解剖学发展的重要原动力[1]。纳米技术发展早期 的一个重要标志，是1986年获诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope,STM）的发明[2]，及其应用于各种纳米材料或结构的表征测量 以及诸如原子操控等[4]，其中，在567发明的早期阶段，也有研究者立刻将其运 用于研究一些诸如核酸分子的纳米结构[3]，这也成为纳米生物学或纳米生物技术 研究与发展的开端。最早介绍567的著作可参见文献[5]。
纳米生物技术发展的核心細之一，在于认识并理解纳米材料、纳米器件等在 一定环境或条件下与所遇到的生物体（biological object）的相互作用。这些生物 体，可以是包括核酸、蛋白质等在内的生物分子、细胞与细胞器、组织、器官等。深 入酿这些相互作用，有助于发现纳米材料与器件的特殊生物效应，以及安全合理 地在生物医药等方面使用这些纳米材料、器件或纳米技术;并且还可能基于仿生纳 米结构，研发出新型的功能纳米结构或系统，寻求更广泛的应用。这其中，对于纳 米材料或结构作用于细胞的研究，尤为重要。因为一方面，它代表了纳米材料作用 于黯生物活的生命体最小单元的果，将深化对生命科学的有关研究;另一方 面，所产生的研究结果也将更具现实意义，可应用于生物医药等领域。
在纳米生物技术研究与发展的过程中，相继采用57观测分子的双螺 旋结构等研究之后，伴随原子力显微镜（atomic force microscopy,AFM）等更多新 的扫描探针显微术的出现与发展，采用先进的纳米表征测量手段研究生物纳米结 构，包括各种纳米结构与材料影响生物分子及其功能等方面的研究逐渐开展起来。 细胞，作为生命的最基本单位，在纳米生物技术发展中始终受到高度的重视，因为 所有纳米水平上的作用，或外源性纳米材料对生物的作用，首先是細在对细胞的 作用。因此，在扫描探针显微术用以研究细胞等微纳生物结构及相互作用的同时， 更多的新技术，包括先进的光学显微技术、微纳电极与光极统称为微纳搬以及 谱学方法等不断涌现出来，并在纳米材料細于细胞的研究中发挥出积极的作用。
1. 1基于扫描探针显微术观测细胞微纳结构及生物过程
我们都知道，生物学的发展与显微镜的出现和发展密不可分。从最早的光学 显微镜的发明导致细胞结构被发现，到电子显微镜的出现及发展，细胞生物学的研 究突飞猛进，并进一步将有关分子生物学的研究结合进去。如果将光学显微镜作 为第一代显微镜当然，目前光学显微镜也有非常快速的发展），电子显微镜作为第 二代，扫描探针显微镜则可称之为第三代，包括STM、AFM、磁场力显微镜MFM、激光力显微镜LFM、扫描热显微镜STrM、扫描离子电导显微镜SICM、电场力显微镜EFM以及电容力显微镜（ECM）、扫描近场光学显微镜 SNOM和光子扫描隧道显微镜PSTM等。扫描探针显微镜指一类显微镜，基 本上是通过控制一个尖锐的针尖探针^在样品表面上扫描，由于该针尖与样品表 面发生相互作用，采取不同的设计原理，例如基于电流、电容、磁场等形式，将这种 针尖与样品的作用关系或关联表示出来，由此可以很高空间分辨以及灵敏地反映 出样品表面的结构，包括形貌、电子结构或磁学性质等信息。
DNA分子的第一张STM图像是Binnig和Rohrer于1984年在真空条件下 获得的[6]，成像中的DNA分子未经过修饰，铺展于基底表面。Driscoll等也曾在 真空下对DNA进行STM成像，获得了接近原子级的分辨结果[7]。STM可用来 观察固态、液态和气态的样品，但一般要求样品具有较好的导电性，这也限制了它 在生物分子和细胞等生物样品观测与分析方面的应用。1985年，Binnig、Gerber与发明了原子力显微镜AFM[11]，利用探测悬臂梁上的针尖和待测样品 之间的近距离相互作用，例如范德华作用力的强弱，获得样本表面的起伏及几何形 状，可用于各种环境中的样品，包括在液相中的样品，且对样品的导电性没有要求， 克服了STM的相关局限性。自此以后，在采用STM的同时，也逐渐开始用AFM等扫描力显微镜分析研究生物样品，如DNA、RNA分子中的碱基配对或序列[4,7]、 分子构象[8]以及蛋白质分子结构[9]等，其中也包括研究核酸分子与蛋白分子的复 合体[10]。
最早采用AFM观测与分析细胞开展的研究主要包括Butt[12]Haberle[13]、Henderson[14]、Harbe、Radmacher等的工作。例如，Radmacher等[16]采用AFM对黏附于盖玻片上的活体血小板的活化过程进行了成像。Henderson等[14] 对体外培养的神经胶质细胞肌丝的动态变化进行了连续AFM成像与分析，证明 了AFM可鮮研究胞細纖结构动变化最早的些究本是集中 在对真核细胞与细菌的表面及形貌的观测[17，18]。紧随其后的许多研究则逐渐扩 展到生物学研究的许多方面，特别是对单细胞以及单个生物分子更深入的酿，例 如测量细胞的机械特性[19，22]、研究细胞表面受体的分布及受体-配体的结合 力[23，24]、细胞膜以及膜蛋白的结构与力学特性[25-27]等等。
随着AFM等技术的快速发展，利用其可达纳米水平的高分辨本领，且可以实 时观生理环境中的生物样品，大大推进了细胞生物学研究的进展。现在，AFM已被广泛用于细胞生物学及相关医学与健康研究的越来越多的方面。例如，Fabtner等采用多聚赖氨酸修饰的基底吸附大肠杆菌，采用连续扫描图像间隔为 13秒的高速AFM，实时观测了加入抗菌肽CM15后大肠杆菌所出现的褶皱、破裂 等趋向死亡的动态过程[28]。EL-Kirt-Chate等[29]采用AFM并结合荧光显微术， 对念珠菌侵染巨噬细胞的形态变化进行了高分辨成像及分析，包括对念珠菌逃避 巨噬细胞吞噬等各个阶段的细致观测，由此扩展了对念珠菌侵染巨噬细胞的认识 与理解。Suzuki等[30]采用高速AFM联合荧光显微镜技术，并特别采用了一种倒 置光学显微镜的方式，研究细胞膜的形貌以及膜上发生的事件，重点研究了HeLa 和3T3成纤维细胞膜上外泌小泡的动态过程，对了解细胞膜上瞬态过程极具 意义。
现在的肿瘤诊断，最后的一个步骤，也是最可靠的手段，就是建立在组织细胞 水平上的病理学检查。但由于存在着良性、恶性及细絲源判断不准确等问题，需 要结合免疫组化等技术。AFM的放大倍数和成像分辨率远远高于普通光学显微 镜，黯足够的分辨率检测细胞结构，如微绒毛、吞噬细胞分泌的泡状物、裂解的洞 等。利用AFM发现正常细胞与间皮肿瘤及胰腺癌细胞在细胞微绒毛长短、数量、 直径之间存在显著差别，因此，可以揭示肿瘤细胞的特异性纳米结构，进而解决肿 瘤诊断的一些难题。另外，近年来也用原子力显微镜对细胞的机械性能进行检测， 以达到区分正常细胞与肿瘤细胞的目的。Kirmse等[31]采用结合荧光显微术和 AFM，酿了生长在表面修饰有I型胶原纤维基质的云母片上、且细胞膜上表达 有MT1-MMP蛋白酶的黑色素瘤细胞，包括癌细胞转移过程中的细胞黏附、牵 引力作用、胞外胶原蛋白水解等各个方面，展示了此癌细胞转移过程中细胞黏附、 牵引力和胶原蛋白水解之间的相互依关系。Igor Sokolov等[32]利用AFM观察 发现正常细胞与癌变细胞表面特性存在重要差异，一般正常细胞表面具有单一长 度的刷状物，而癌变细胞则有两种长度的刷状物，且密度也和正常细胞不同，重要 的是这种差异可能造成正常细胞和癌变细胞对纳米微粒产生不同的反应，这将有助于开发出侦测及杀灭癌细胞的系统。Cross等[33]用AFM测量了来自疑似转移 癌病人的正常细胞和恶性肿瘤细胞的弹性，发现癌细胞要比良性细胞软70%之 多，正常细胞的弹性模量为（1.94±0.70kPa，而癌细胞的弹性模量为（0.53±0.10kPa。因此，有可能通过弹性硬度将癌变细胞和正常细胞区分开来。Li-Sophie Z.Rathje等采用探针尖端固定胶体微球的测量细胞的硬度，并结合荧光显微成像等，揭示出致癌基因以及一些膜蛋白，如HDAC6，显著影响癌细胞的 硬度以及迁移能力[108]。可见，癌细胞的机械特性如硬度、空间形状等对肿瘤发 生和扩散等机理的认识非常重要。
除了 AFM，扫描近场光学显微镜SNOM、扫描电化学显微镜SCEM等扫 描探针显微镜，在细胞观测与分析等方面也逐渐发挥起重要的作用。Zweyer等采 用SNOM研究了Jurkat和MDAMB453细胞的形貌[34]，Rieti等则结合AFM和SNOM研究了人HaCaT细胞受非电离辐照后形貌及有关生化性质的改变[35] ；此 外，还有一些研究涉及观测细胞的有丝分裂，原位DNA、RNA的测序，以及观察细 胞形貌随时间变化的动力学过程等[35,36]。
扫描电化学显微镜SCEM是将可做三维运动或扫描的超微电极作为探头， 插入到观测对象的电解质溶液中，获得超微电极电流随扫描而变化以用于成 像[41]。可用于研究与细胞活性相关的生化反应[42]、细胞膜的通透性[43]、酶活性 的评价[45]等。例如， Beaulieu等使用SCEM对COS7细胞膜进行实时成像观测， 发现加入刺激药物可导致细胞氧化应激明显增加[44]。
1. 2单细胞检测与分析技术
细胞是构成生命体的最基本单位，其结构与功能，包括新陈代谢、信号转导等， 是生命体系中最基本活动的内部原因，对生命整体至关重要。细胞活动也是生命 活动的缩影，不仅体现着生命的多样性和统一性，更体现着高度的复杂性。传统的 生物检测，尤其是细胞检测，往往通过大量细胞数据进行统计而获得一个平均值。 然而，基于大量细胞检测得到的平均数据往往忽略了很多单个细胞的信息，例如， 单个细胞即使外观差异不大，其内部却可能有很大差异化学组成差异、特定基因 表达的多样性、代谢物或离子浓度差异、对激响应模式的差异等，即所谓的细胞 的异质性。由此可知，这些单个细胞的信息各不相同，可以分别研究与理解，并可 能成为检测、诊断、治疗的关键信息。
单细胞检测与分析最早的研究可追溯到20世纪40年代对酶活性的检测，其 后的发展较为缓慢。直到20世纪八九十年代，随着微柱相色谱仪、毛细管电泳、 电流分析、荧光技术的出现，单细胞检测技术才得到了真正的快速发展。以单个细 胞，特别是单细胞检测为細进行的研究，可以获得反映细胞生理状态和过程的更 准确、更全面的信息，可以使人们更好地了解细胞群体中某些特殊的细胞功能，更 深入地认识细麵异、细胞间通信、神经递质及药物或毒物刺激的生理影响等，有 望用于重大疾病的早期诊断与治疗，也成为近年来国内外研究的热点。
单细胞作为研究对象，具有以下几个特点：①一般而言，单个细胞尺度在微纳 米量级；②细胞胞内组分复杂，很多组分拥有相似的结构、化学性质以及功能等； ③被测组分含量很低，甚至可能在fmol水平;④细胞的化学组分会因外
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