基于石墨烯/仿生酶复合材料修饰的微电极阵列探究角质形成细胞紫外损伤中活性氧分子的作用

Exposure to ultraviolet (UV) light can increase the generation of oxygen free radicals, resulting in oxidative damage to the skin and leading to skin cancer, immunosuppression and other diseases. Hence, studying the roles and concentration changes of reactive oxygen species (ROS) at the cellular level is highly significant to understanding the mechanism of UV-induced oxidative damage to skin, its prevention and treatment. However, the in situ real-time detection of ROS remains a huge challenge due to the low concentration of ROS released by cells. In addition, ROS possess high activity and short half-life and can easily react with other surrounding molecules. The applicant proposes the use of multi-channel microelectrode array sensor and functional composite materials to construct a biocompatible and highly catalytic nano-interface and cell detection array. A graphene-modified microelectrode array will serve as a platform upon which a functional biomimetic enzyme specific for ROS catalysis will be prepared by chemical or electrochemical methods for the in situ real-time detection of ROS released by keratinocytes under UV-induced oxidative damage. This, together with histological samples of the damaged cells, will reveal the relationship between changes in ROS concentration and degree of oxidative damage and elucidate the role and mechanism of ROS in UV-induced skin damage.

紫外线照射皮肤可引起皮肤细胞氧自由基增多，造成皮肤氧化损伤，导致皮肤癌变、免疫抑制等一系列疾病的发生。因此，在细胞水平开展皮肤氧化损伤中活性氧分子浓度变化与作用的研究，对了解皮肤氧化损伤机制及相关疾病预防和治疗具有重要的科学意义。然而，由于细胞释放活性氧分子的浓度偏低、活性高、寿命短，且易相互转化，实现原位实时检测多种活性氧分子是一项具有挑战性的工作。申请人基于其在细胞信号分子原位实时检测、微电极阵列传感器和石墨烯/仿生酶复合材料的工作基础上，设计以石墨烯修饰的微电极阵列为平台，在其上通过化学/电化学方法合成对活性氧分子具有选择催化的仿生酶，构筑兼有生物兼容性和特异催化性纳米界面的微电极阵列，实现对皮肤氧化损伤过程中皮肤角质形成细胞释放多种活性氧分子的原位实时检测，并结合相应细胞氧化损伤的检测结果，揭示活性氧分子的浓度变化与细胞氧化损伤的关系，阐明紫外线引起皮肤氧化损伤中活性氧分的作用。

紫外线照射皮肤可引起皮肤细胞氧自由基增多,造成皮肤氧化损伤,导致皮肤癌变、免疫抑制等一系列疾病的发生。因此,在细胞水平开展皮肤氧化损伤中活性氧分子浓度变化与作用的研究, 对了解皮肤氧化损伤机制及相关疾病预防和治疗具有重要的科学意义。由于细胞释放活性氧分子的浓度偏低、活性高、寿命短, 且易相互转化,实现原位实时检测多种活性氧分子是一项具有挑战性的工作。本项目设计以石墨烯修饰的电极阵列为平台, 在其上通过化学/电化学方法合成对活性氧分子具有选择催化的仿生酶，构筑兼有生物兼容性和特异催化性纳米界面的微电极阵列, 实现对皮肤氧化损伤过程中皮肤角质形成细胞释放多种活性氧分子的原位实时检测, 并结合相应细胞氧化损伤的检测结果, 揭示活性氧分子的浓度变化与细胞氧化损伤的关系,阐明紫外线引起皮肤氧化损伤中活性氧分的作用。经过4年的项目执行, 完成预期研究内容, 所取得研究进展包括: 设计并构筑一系列新型的石墨烯/仿生酶复合材料实现对造成氧化损伤的活性氧分子的特异性检测; 建立了一系列不依赖于昂贵和特殊设备的微加工策略，实现低成本，快速制备微整列电极，纸基电化学传感器，并用于细胞释放活性氧的快速检测; 利用石墨烯/仿生酶复合材料修的微电极阵列, 实现对肿瘤细胞和皮肤组织在紫外线引起皮肤氧化损伤过程中释放多种活性氧分子的原位实时检测。所建立的活性氧原位检测平台可以推广应用到肿瘤生物学等领域的研究中。