源自代谢反应的活细胞的细胞外可检测电化学信号

细胞是复杂的生物机器，负责人体的所有生理功能。因此，分析细胞的关键行为（例如生长、有丝分裂、迁移、分化和死亡）对于发现新的治疗方法至关重要治疗各种疾病，以及重建受损的组织或器官。研究细胞中这种复杂的生化级联反应最常用的方法之一是扩增感兴趣的基因（例如定量聚合酶链式反应和RNA测序），并用探针标记的抗体标记细胞类型特异性抗原，用于免疫细胞化学或流式细胞术。尽管这些方法已被证明有效，但它们涉及复杂的预处理步骤，其中大多数具有破坏性（例如细胞固定和裂解），并且需要多种化学试剂或染料，这意味着分析后细胞活力和功能会丧失。此外，这种方法不允许实时检测响应细胞内或细胞外刺激的细胞动力学。为了克服这些局限性，拉曼光谱、自发荧光成像、电细胞-基底阻抗传感和电位分析等新技术已被用于以无标记、实时和无创的方式分析主要的细胞功能。具体而言，之前的研究通过量化活细胞氧化还原信号的强度，灵敏地测量了生长为二维单层或三维球形的癌细胞的存活率。此外，干细胞的多能性通常会随着分化而降低，无需使用外部染料或探针即可监测多能性的变化。然而，精确的细胞检测仍面临几个关键挑战，如培养条件的维持、平台稳定性和可重复性。具体来说，使用这些技术进行细胞分析无法检测细胞功能或代谢变化。此外，尽管电化学方法作为强大的细胞分析工具具有巨大潜力，但其关键障碍之一是活细胞中可测量氧化还原信号的来源尚未阐明（图1A）。作者首次报告细胞外可检测到的活细胞还原和氧化信号的潜在来源。假设产生三磷酸腺苷（ATP）的新陈代谢反应是主要的信号来源，三磷酸腺苷是一种为启动细胞内大多数生物反应提供能量的分子。为了证明假设，研究了一些可能的信号贡献者（即电子供体或受体），包括酶（如基质金属蛋白酶和超氧化物歧化酶）、氧化还原信号分子（如活性氧和过氧化氢）和线粒体。然后，分离出每种成分并用差分脉冲伏安法进一步分析（图1B）。在确认检测到与活细胞一致的电化学信号后，抑制或增强与三羧酸循环和糖酵解相关的主要细胞代谢途径，包括氧化磷酸化，以监测相应电化学信号的变化。根据研究结果，作者开发了一种使用优化的代谢激活剂混合溶液瞬间增强细胞代谢的方法（图1C）。最后，这种方法被应用于基于癌细胞的快速、精确药物筛选，以及间充质干细胞（MSCs）衰老的无标记、无损检测，对使用电化学方法表征各种细胞功能和行为具有重要意义。

图1活细胞中氧化还原信号的起源和多种应用

（A）由于对活细胞中氧化还原信号的来源缺乏了解，电化学方法受到限制。（B）氧化还原信号来源于代谢反应过程中的细胞新陈代谢。（C）电化学方法可用于药物筛选，并通过放大代谢反应为检测干细胞衰老提供了一种新方法。