Determination of diffusion coefficient by image-based fluorescence recovery after photobleaching and single particle tracking system implemented in a single platform

Fluorescence recovery after photobleaching(FRAP)and single particle tracking(SPT)techni-ques determine the diffusion coefficient from average diffusive motion of high-concentration molecules and from trajectories of low-concentration single molecules,respectively.Lateral dif-fusion coefficients measured by FRAP and SPT techniques for the same biomolecule on cell membrane have exhibited inconsistent values across laboratories and platforms with larger dif-fusion coefficient determined by FRAP,but the sources of the inconsistency have not been investigated thoroughly.Here,we designed an image-based FRAP-SPT system and made a direct comparison between FRAP and SPT for diffusion coefficient of submicron particles with known theoretical values derived from Stokes-Einstein equation in aqueous solution.The combined iFRAP-SPT technique allowed us to measure the diffusion coefficient of the same fluorescent particle by utilizing both techniques in a single platform and to scrutinize inherent errors and artifacts of FRAP.Our results reveal that diffusion coefficient overestimated by FRAP is caused by inaccurate estimation of the bleaching spot size and can be corrected by simple image analysis.Our iFRAP-SPT technique can be potentially used for not only cellular membrane dynamics but also for quantitative analysis of the spatiotemporal distribution of the solutes in small scale analytical devices.

基于FRAP的微间隙润滑油膜流速测量方法

薄油膜润滑广泛存在于各类精密机械与微机电系统中。微纳米间隙内的润滑油流动是影响薄膜润滑承载力的重要因素,但目前薄润滑油膜的流速测量仍然缺少有效手段。本文基于荧光漂白恢复显微技术和漂白区域形状演化过程的成像分析,建立了油膜流速测量系统,可以对微米间隙润滑油膜的速度分布进行原位测量。利用建立的系统获得了厚度为8μm时聚丁烯PB450润滑油膜的库埃特流速分布。重建的荧光漂白强度分布曲线和实验测量结果的皮尔森相关系数大于0.95,且流速分布符合已有润滑理论,证明了测量结果的可靠性。

Fluorescence recovery after photobleaching:analyses of cyanobacterial phycobilisomes reveal intrinsic fluorescence recovery

Fluorescence recovery after photobleaching(FRAP)has been used to study the dynamics of the cyanobacterial photosynthesis apparatus since 1997.Fluorescence recovery of cyanobacteria during FRAP was conventionally interpreted as a result of phycobilisome(PBS)diffusion on the surface of the thylakoid membrane.The mechanism of state transition in cyanobacteria has been widely attributed to PBS diffusion.However,in red algae,another PBS-containing group,the intrinsic photoprocess was found to contribute greatly to the fluorescence recovery of PBS,which raises questions concerning the role of FRAP in red algal PBS.Therefore,it is important to re-evaluate the nature of PBS fluorescence recovery in cyanobacteria.In the present study,four cyanobacterial strains with different phenotypes and PBS compositions were used to investigate their FRAP characteristics.Fluorescence recovery of PBS was observed in wholly photobleached cells in all four cyanobacterial strains,in which the contribution of PBS diffusion to the fluorescence recovery was not possible.Moreover,the fluorescence recovered in isolated PBSs and PBS-thylakoid membranes after photobleaching further demonstrated the intrinsic photoprocess nature of fluorescence recovery.These findings suggest that the intrinsic photoprocess contributed to the fluorescence recovery following photobleaching when measured by the FRAP method.

应用FRAP技术分析小鼠嵌合体和正常胚胎发育中细胞间隙连接介导通讯

应用激光扫描共聚焦显微镜的光漂白恢复(fluorescence redistribution after photobleaching,FRAP)技术分析小鼠嵌合体胚胎和正常胚胎的卵裂球之间细胞间隙连接介导通讯(gap junctional inter-cellular communica-tion,GJIC),结果发现:8-细胞期嵌合体胚胎的光漂白恢复率(24.3%)明显低于正常胚胎(64.2%),提示GJIC的降低可能是影响嵌合体胚胎发育率降低的因素之一;囊胚的光漂白恢复率也较低(22.7%),提示随着细胞分化,GJIC的水平有所降低。

FRAP技术揭示PLZF-RARα融合蛋白在细胞核内的运动性依赖于其配基及转录活性

目的运用光漂白荧光恢复(FRAP)技术检测一系列带有绿色荧光蛋白(GFP)标签的野生型及突变型的早幼粒细胞性白血病锌指-维甲酸受体α(PLZF-RARα)表达蛋白分子在细胞核内运动性。方法运用凝胶迁移实验(EMSA)检测带有GFP标签的野生型及突变型PLZF-RARα融合蛋白结合维甲酸反应元件(RARE)的能力;运用FRAP以及共聚焦荧光显微镜分析一系列GFP-PLZF-RARα及其突变体表达蛋白在细胞核内的运动性;运用转录抑制剂放线菌素D(Act D)和/或全反式维甲酸(ATRA)处理GFP-RARα和GFPPLZF-RARα表达细胞,运用FRAP观察PLZF-RARα和野生型RARα在细胞核内的运动性变化情况。结果位于PLZF结构区的POZ以及锌指结构域不仅是引起PLZF-RARα核内运动性降低的主要原因,同时也是引起配体诱导的核内运动性减慢的关键因素。Act D能够显著地抑制PLZF-RARα和RARα蛋白分子在细胞核内的运动性;分化诱导剂ATRA处理可逆转Act D引起的RARα核内运动性降低效应,但经Act D处理的PLZF-RARα分子无此效应。结论运用FRAP技术发现PLZF-RARα融合蛋白在细胞核内的运动性减慢可能依赖于配体的存在及其转录活性。

应用FRAP技术研究高蛋白中间水分食品体系中的分子迁移

文中构建了酪蛋白酸钠和浓缩乳蛋白这2种高蛋白中间水分食品模型体系,并采用荧光漂白恢复技术对模型体系在贮藏过程中微观结构变化以及分子迁移运动等进行观察。实验结果表明:高蛋白中间水分模型体系的荧光恢复率与蛋白的种类和贮藏时间有关,其中,浓缩乳蛋白模型体系较酪蛋白酸钠模型体系的荧光强度恢复迅速,且随着贮藏时间的延长,这2种模型体系的荧光强度恢复率呈逐渐减缓的趋势。由此可见,高蛋白中间水分食品在贮藏前期体系中小分子在热力学牵引下发生迁移运动有可能进一步导致体系微结构及质地的改变。

应用FRAP技术评价蛋白在聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶中的扩散行为

药物分子从药物载体中的释放行为与载体的结构有密切关系.本实验中采用丙烯酰胺和丙烯酸等材料,运用水相沉淀的方法,制备了4种不同单体配比的聚丙烯酰胺-丙烯酸(P(Am-co-Ac))共聚物水凝胶.运用红外分析方法对P(Am-co-Ac)组成进行表征.使用荧光漂白恢复法(FRAP,fluorescence recovery after photobleaching)观察荧光素FITC标记的牛血清白蛋白(BSA)在聚丙烯酰胺-丙烯酸中的扩散行为,并以激光共聚焦显微镜进行实时成像.实验表明,FITC-BSA在不同单体配比的共聚物中的扩散系数是不同的.通过调节聚合物中单体的配比能够达到控制蛋白释放速率的作用,从而为调控蛋白和多肽类药物的缓控释放提供了可能性.

EMs异位及在位内膜间质细胞Cx43的表达及GJIC功能的体外研究

目的:研究子宫内膜异位症(EMs)的异位与在位内膜间质细胞中Cx43的表达及间隙连接细胞间通讯(GJIC)功能,探讨间质细胞GJIC功能异常对EMs发病的影响。方法:取24例卵巢处子宫内膜异位灶、41例EMs在位内膜以及30例正常子宫内膜,分离出间质细胞,加入雌、孕激素培养,建立体外间质细胞培养模型。利用激光共聚焦显微镜(LSCM)分别检测三组间质细胞的Cx43表达及GJIC功能。结果:间质细胞成功培养率分别为:异位内膜组45.8%(11/24)、EMs在位内膜组92.7%(38/41)、对照组93.3%(28/30),异位内膜间质细胞纯度为95%,在位内膜间质细胞纯度达98%。EMs异位内膜间质细胞中Cx43表达水平及GJIC功能明显比其他两组低,正常对照组的Cx43表达水平及GJIC功能最高,且差异均有显著性(P﹤0.01)。结论:(1)同时建立EMs异位内膜、在位内膜及正常内膜间质细胞的体外模型,有助于研究EMs的发病机制;(2)间质细胞中Cx43蛋白表达下调及其GJIC功能异常与EMs发生有关,调节Cx43表达或GJIC功能可能是潜在的治疗策略。

异位和正常子宫内膜间质细胞对上皮细胞间隙连接细胞间通讯的影响

目的研究体外异位和正常子宫内膜间质细胞对内膜上皮细胞间隙连接细胞间通讯(gap junctional intercellular communication,GJIC)功能的不同影响。方法取24例卵巢处子宫内膜异位灶以及10例正常子宫内膜,分离、纯化上皮细胞和间质细胞,建立体外上皮细胞单独培养、上皮细胞与间质细胞共培养模型。在激光共聚焦显微镜下采用荧光漂白后恢复技术分别检测各组上皮细胞的GJIC功能。结果①异位内膜上皮、间质细胞纯度分别为92%、95%,对照组内膜上皮、间质细胞纯度分别为95%、98%;②单独培养的异位内膜上皮细胞与单独培养的正常内膜上皮细胞的GJIC功能无显著性差异(P>0.05);③与正常间质细胞共培养后,上皮细胞中GJIC功能明显上调,而与异位内膜间质细胞共培养的上皮细胞中GJIC功能未见明显变化。结论异位间质细胞丧失了调节上皮细胞GJIC的能力,这种调节能力的异常可能与子宫内膜异位症发生有关。

纳秒脉冲诱导肿瘤细胞缝隙连接通讯恢复的实验研究

将纳秒脉冲作用于人肝癌细胞(Hep-G2),通过荧光漂白恢复(FRAP)技术,检测荧光萃灭后肿瘤细胞的荧光强度变化情况,以研究纳秒脉冲对肿瘤细胞缝隙连接通讯(GJIC)功能变化的影响。经纳秒脉冲处理后,与对照组相比,处理组荧光恢复率显著增加,且随着时间的推移,所有处理组的荧光恢复率都达到对照组的3倍以上。此外,处理组肿瘤细胞的荧光漂白恢复率随脉冲个数的增加而升高。实验结果表明,纳秒脉冲促进了肿瘤细胞缝隙连接通讯功能的恢复,且在固定的脉冲宽度和幅值下,GJIC对纳秒脉冲作用的响应程度与施加的脉冲个数呈正相关。研究结果不仅为纳秒脉冲用于GJIC障碍性疾病的治疗提供了一条全新的途径,而且也深化了纳秒脉冲诱导肿瘤细胞凋亡机制的研究。

荧光光漂白恢复技术在检测膀胱平滑肌细胞间通讯功能中的应用

目的 探讨膀胱平滑肌细胞间通讯的功能变化。方法 利用荧光光漂白恢复 (FRAP)技术检测膀胱平滑肌细胞GJIC功能。结果 在相同的时间内 ,对实验组和对照组膀胱平滑肌细胞漂白后平均荧光恢复率相比较 ,实验组显著高于对照组 (P <0 0 5 )。

Wy10美白与Beyond冷光美白活髓着色牙的疗效比较

目的评价Wy10美白法漂白活髓着色牙的疗效和安全性。方法用Wy10美白系统对30例患者393颗活髓着色牙进行漂白,对照组30例患者378颗活髓着色牙采用Beyond冷光美白法。利用Vita比色板色值测定法、计算机辅助分析法评价美白疗效,并通过牙髓敏感性比较问卷评估牙齿敏感情况。结果Wy10美白组与冷光美白组漂白有效率差异无统计学意义(P>0.05);两组漂白治疗前、后牙面颜色的色差值差异也无统计学意义(P>0.05)。但两组患者在术后即刻、术后1周、术后3个月、术后6个月的牙髓敏感率差异有统计学意义(P<0.05)。结论 Wy10美白与冷光美白对活髓着色牙的漂白疗效无明显差异,但Wy10美白较冷光美白对牙髓的刺激性轻,临床应用安全性更好。

荧光漂白后恢复技术及其在活细胞分子机制研究中的应用

荧光漂白后恢复(FRAP)是一项利用荧光探针研究活体细胞中各类分子迁移特性的技术。简要介绍了FRAP技术的原理和具体实施要求,列出了动态比和扩散系数的计算公式,并例举了近几年FRAP技术在细胞分子机制研究中的应用。

ATRA调节人异位子宫内膜间质细胞GJIC Connexin基因、蛋白的作用及意义

目的:探讨全反式维甲酸(ATRA)对人异位子宫内膜间质细胞间隙连接细胞间通讯(GJIC)、connexin基因、蛋白的调节作用及意义。方法:取24例子宫内膜异位症患者卵巢处异位内膜标本,分离纯化得到间质细胞,分别用0.1mmol/L、1mmol/L、10mmol/LATRA处理24h、48h、72h、96h、120h,同时设置空白对照组,采用荧光漂白后恢复技术检测异位内膜间质细胞的GJIC功能,并检测与GJIC功能密切相关的Cx43、Cx26、Cx32的基因及蛋白表达。结果:ATRA处理72h内,1mmol/L、10mmol/L组的异位内膜间质细胞荧光恢复功能明显增强;0.1mmol/LATRA组的异位内膜间质细胞荧光恢复功能无明显变化。未经ATRA处理的异位内膜间质细胞中无Cx43、Cx26、Cx32的mRNA及蛋白表达;经1mmol/LATRA处理后,异位内膜间质细胞中检测到Cx43mRNA和蛋白表达,但未见Cx26、Cx32的mRNA及蛋白表达。结论:ATRA能选择性地诱导Cx43基因及蛋白表达,从而有效上调异位内膜间质细胞的GJIC功能;ATRA可能是治疗子宫内膜异位症的潜在药物。

长链脂肪乳剂逆转布比卡因导致的心肌细胞膜流动性降低

目的:研究长链脂肪乳剂对布比卡因所致心肌细胞膜流动性改变的影响。方法:采用NBD-C6-HPC特异性荧光探针标记心肌细胞膜脂质,借助激光共聚焦显微镜结合光脱色荧光恢复技术检测布比卡因及长链脂肪乳剂对心肌细胞膜流动性的影响。结果:对照(Con)组和1%体积分数长链脂肪乳剂(LCT)组比较,细胞膜流动性差异无统计学意义(P>0.05)。布比卡因1 000μmol/L(Bu-1000组)细胞膜的荧光恢复率与Con组、LCT组、布比卡因100μmol/L(Bu-100)组比较显著降低(P<0.01);Bu-1000组细胞膜的扩散系数显著低于Con组(P<0.05)和LCT组(P<0.01)。布比卡因1 000μmol/L+1%体积分数长链脂肪乳剂(Bu-1000+LCT)组细胞膜荧光恢复率(P<0.05)及扩散系数(P<0.01)显著高于Bu-1000组。布比卡因100μmol/L+1%体积分数长链脂肪乳剂(Bu-100+LCT)组细胞膜扩散系数(P<0.01)显著高于Bu-100组。结论:长链脂肪乳剂能够逆转布比卡因导致的心肌细胞膜流动性降低。

腺病毒介导的KDR-CDglyTK系统在治疗胃癌中的旁观者效应机制

目的:探讨重组腺病毒介导KDR-CDglyTK系统杀伤胃癌SCG7901细胞时细胞缝隙连接与旁观者效应的关系.方法:感染复数(multiplicity of infection,MOI)=100时,将携带融合基因重组腺病毒体外感染SCG7901、HeLa细胞,检测细胞的感染效率以及转基因肿瘤细胞在mRNA水平上融合基因的表达;用荧光漂白恢复技术(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP)检测SCG7901、HeLa细胞以及芹黄素作用上述两种细胞的细胞间通讯功能.将已转染细胞和未转染细胞分别按10%∶90%和5%∶95%两种比例混合,用含或不含芹黄素的培养基,培养24 h后,在不同组中分别加入GCV、5-FC两者的混合液,72 h后用MTT法检测细胞存活率.结果:受感染的SCG7901和HeLa细胞中均有绿色荧光蛋白的表达.图像中观察到在芹黄素作用下SCG7901细胞淬灭后荧光强度明显降低,随后随着时间的推移,被淬灭细胞的荧光强度逐渐恢复,在相同时间内其恢复强度较未应用上调剂的SCG7901细胞要强;而在芹黄素作用下的HeLa细胞被淬灭后荧光强度明显降低,随时间的推移荧光强度无明显恢复,在上调剂芹黄素作用下的SCG7901与HeLa细胞间的荧光恢复率有差异.同时,观察到双自杀基因系统在转基因细胞比例分别占5%、10%时,SCG7901细胞在空白组、前药组、芹黄素组、前药+芹黄素组间细胞生存率有差异(F=144.42,P=0.000)、(F=407.83,P=0.000),而HeLa细胞在各组间的细胞生存率无统计学意义(F=0.386,P=0.765)、(F=0.895,P=0.472).结论:FRAP技术证实SCG7901细胞间通讯功能与缝隙连接有一定关系,而HeLa细胞不存在细胞间通讯功能.双自杀基因系统治疗SCG7901细胞时存在旁观者效应而且上调剂可以扩大其旁杀效应;但HeLa细胞不存在旁观者效应.双自杀基因系统治疗胃癌细胞时旁观者效应与细胞间缝隙连接有关.

用于单个活细胞显微图像动态检测的SPT技术

报道一种高灵敏度 ,高分辨率 ,可检测单个活细胞上膜受体等微粒运动的先进技术 SPT (single particletracking)技术 ,并在此基础上 ,研制开发了整套单个活细胞显微图像动态检测系统 .

光学在生物分子研究中的应用

综述了如荧光漂白恢复(FRAP)、荧光共振能量转移(FRET)、荧光相关光谱(FCS)、表面质膜共振(SPR)等光学方法在生物分子研究中的应用。

5-HT_(1A)受体蛋白在PC12细胞膜转运的动态变化

目的在神经元样PC12活细胞上进行实时、可视和定量研究5-羟色胺1A受体的时空分布、膜转运和信号传导机制。方法运用RT-PCR方法获得小鼠5-HT1A基因,并插入到pEGFP-N1真核表达载体中。采用阳离子脂质体方法将质粒转染至PC12细胞和HEK293细胞中,通过G418筛选出稳定表达5-HT1A-EGFP的PC12细胞系。运用激光共聚焦成像系统观察活细胞中5-HT1A-EGFP的表达情况,利用光漂白荧光恢复(FRAP)技术在PC12细胞膜局部漂白后观察5-HT1A-EGFP荧光蛋白在细胞膜上转运的情况。结果克隆所获得的小鼠5-HT1A基因是准确的。5-HT1A-EGFP蛋白清晰的分布于PC12和HKE293细胞膜上。通过FRAP技术观察到漂白区域的细胞膜在100s内有部分恢复,说明受体在细胞膜上发生转运。结论建立了稳定表达5-HT1A-EGFP融合蛋白的PC12细胞系,并利用活细胞成像和FRAP技术观察分析并证实了5-HT1A受体在PC12细胞的膜表面的表达和转运的动态变化。

基于激光共聚焦同步双扫描技术的LC3脱乙酰化修饰调控自噬的机理研究

激光共聚焦同步双扫描(simultaneous,SIM)技术在常规扫描单元的基础上,引入一个同步扫描单元(SIM scanner),该技术独立控制了两个激光束,一个用于激光光刺激,另一个用于同步成像。本实验中,采用激光共聚焦同步双扫描系统的405 nm和488 nm激光分别对细胞的特定部位进行刺激和同步成像,实时检测了LC3复合物的形成,记录并分析了乙酰化前后LC3的光动力学变化过程,证实了LC3的脱乙酰化修饰是自噬性降解所必须的,本实验体系为激光共聚焦双扫描技术的推广提供了一个很好的平台。SIM技术的应用,解决了刺激过程无法成像的问题,为漂白后荧光恢复(fluorescence recovery after photobleaching,FRAP)、漂白后荧光损失(fluorescence loss in photobleaching,FLIP)和光诱导激活等研究提供了最佳的解决方案,可作为光刺激的一种实验模式在很多实验设计中进行延伸应用。