电化学修饰与去修饰控制芯片内细胞和酶的固定与解脱及在药物筛选中应用的研究

Drug discovery is a high-cost and long-period process, and drug screening is basically the main pathway to discover and investigate new drugs. However, the traditional screening methods mostly depend on the microtiter plate platform and surface plasmon resonance technique, which is not only expensive, but also tedious and time-consuming. Microfluidic chip, a front of analytical technology in recent years, with the advantages of high throughput and high speed, is regarded as one of suitable platforms to meet the requirements of high throughput and high content screening. Until now, both the fixation of cell or enzyme in micro-channels and their extrication after experiment are still time-consuming, high-cost and tedious. To overcome the disadvantage mentioned above, this project aims to develop a convenient method for the fixation and extrication of cell or enzyme in micro-channel by modification and demodification of electrode which are controlled by potential. The research content includes: the condition of modification and demodification on electrode surface, the fixation and extrication of cell or enzyme on the modified film, interaction between enzyme and medicament, effect of medicament on enzyme, establishment of model cell online, and rehabilitation of injured cell. As expected results, the fixation and extrication of cell or enzyme in micro-channel of microfluidic chip could be controlled by potential. A means of drug screening in lower cost, higher efficient and higher speed would be provided.

新药研发是一个成本高、周期长的过程，而药物筛选是发现和研究新药的主要途径。传统的药物筛选方法主要依赖微孔板及表面等离子体共振等技术，设备昂贵、操作繁琐。微流控芯片技术具有高通量、快速等特点，被认为是可以满足高通量高内涵筛选的平台之一。但芯片通道内细胞和酶的固定、及实验后的脱附，仍然存在操作繁琐、成本高、耗时长等问题。本项目以电化学手段，通过控制电势进行电极修饰与去修饰，实现对芯片通道内细胞和酶的固定与脱附的可控操作。具体研究：电极表面修饰与去修饰的条件、修饰层对酶和细胞的固定与脱附、药物与酶的相互作用及对酶活性的影响、在线建立细胞模型、以及候选药物对损伤细胞的修复作用。预期结果，通过控制电势进行电极修饰与去修饰，既方便在芯片微通道内将细胞和酶进行固定，开展药物筛选研究，又容易在筛选完成后将酶和细胞脱附，进一步提高实验速度和降低成本。对低成本、高速、高通量筛选药物有重要的科学意义和应用价值。

微流控芯片技术具有高通量、快速等特点，是高通量药物筛选的平台之一。但芯片通道内细胞和酶的固定、及实验后的脱附，仍然存在操作繁琐、成本高、耗时长等问题。本项目提出以电化学手段，通过控制电势进行电极修饰与去修饰，实现对芯片通道内细胞和酶的固定与脱附的可控操作。现已完成了预期目标，获得了满意的成果。主要研究内容和重要结果为：（1）在金电极表面实现细胞的固定与解脱：构建了一种新型可反复修饰的电化学适配体细胞传感器对人肝癌细胞的灵敏响应、特异性识别、高灵敏度检测与可控释放。（2）在玻碳电极-纳米金电极表面实现细胞的固定与解脱：利用核酸适配体和设计的多功能电化学纳米探针，研制出一种针对肿瘤细胞的电化学细胞传感器。在玻碳电极表面电沉积金纳米，通过金-硫键将末端修饰巯基的适配体连接在纳米金表面，构建细胞传感界面捕获肿瘤细胞，细胞与药物作用完成后，在外加电势的刺激下破坏Au-S键并重新生成玻碳电极-纳米金表面，电极可重复修饰；（3）在芯片内制作ITO-纳米金电极，实现细胞的固定与解脱：利用氧化铟锡玻璃制作微阵列电极，通过电化学沉积法在电极表面构建细胞传感界面，利用核酸适配体为生物识别元件特异性捕获人肝癌细胞。在线建立细胞模型，研究抗癌药物与肿瘤细胞间作用，开展药物筛选研究，最后通过负电压将捕获的肿瘤细胞解脱；（4）在玻碳电极-纳米金电极表面实现酶的固定与解脱；在玻碳电极表面电沉积一层金纳米颗粒，通过金-硫键将末端修饰巯基的核酸适配体连接在纳米金表面，构建传感界面捕获凝血酶，在酶与药物作用完成后，通过电化学方法断裂金-硫键，解吸附电极表面的物质，重新得到可以再次使用的镀金电极表面。这些研究成果为肿瘤细胞及细胞与药物作用分析研究提供了新器件和新方法，对高通量药物筛选具有重要的科学意义与应用价值。本项目共发表SCI论文28篇；在国际和全国学术会议上作邀请报告7次；培养博士研究生5名，硕士研究生12名。