了得網醫學_生物醫用納米材料對細胞的作用

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《生物醫用納米材料對細胞的作用》可供高等院校生物醫學、藥學、材料科學、生物醫學工程學等專業的高年級本科生、研究生以及相關領域的科研人員閱讀參考。

內容簡介

《生物醫用納米材料對細胞的作用》主要介紹具有生物醫學應用潛力的納米材料對細胞的作用，以及針對納米材料與細胞相互作用而發展的新型表征手段和分析方法。《生物醫用納米材料對細胞的作用》共 16章,繫統介紹了以下四個方面的內容，包括:①納米生物學的概念、理論，同時介紹納米表征測量與分析在納米生物學研究中的重要意義和進展（第 1章）；②納米生物醫用材料及制劑的研究，強調細胞研究中需要重視的工具與方法(第2?5章〕；③從分子和細胞層面介紹納米材料與細胞作用的研究進展(第6?13章〕；④從醫學應用角度對納米材料乂細胞作用的探索研究 (第14?16章〕。

作者簡介

目錄
《納米科學與技術》叢書序
前目
第1章緒論 1
1. 1 基於掃描探針顯微術觀細胞微納結構及生物過程 2 1. 2 單細胞檢測與分析技術 4 1.2.1 先進光學方法 5
1.2.2 質譜等譜學方法 8
1.2.3 電化學與電磁探極技術 9
1.3 細胞內生長與仿生制備納米材 11
1.3.1 細胞中生長金、銀等貴金屬納米顆粒 12
1.3.2 磁細菌與磁小體 15
1.3.3 細胞中生長化合物納米顆粒 17
1.3.4 基於生物分子(仿生)合成納米材料 18
1.4 人工納米顆粒作用於細胞 20
參考文獻 21目錄
《納米科學與技術》叢書序
前目
第1章緒論 1
1. 1 基於掃描探針顯微術觀細胞微納結構及生物過程 2 1. 2 單細胞檢測與分析技術 4 1.2.1 先進光學方法 5
1.2.2 質譜等譜學方法 8
1.2.3 電化學與電磁探極技術 9
1.3 細胞內生長與仿生制備納米材 11
1.3.1 細胞中生長金、銀等貴金屬納米顆粒 12
1.3.2 磁細菌與磁小體 15
1.3.3 細胞中生長化合物納米顆粒 17
1.3.4 基於生物分子(仿生)合成納米材料 18
1.4 人工納米顆粒作用於細胞 20
參考文獻 21
第2章生物醫用納米材料的制備、特性與質量控制 33 2.1 具有生物醫學應用前景的米材料 33
2.1.1 (貴)金屬納米顆粒 33 2.1.2 半導體納米顆粒 34 2.1.3 磁性氧化物納米顆粒 34 2.1.4 有機/聚合物納米顆粒(含生物分子構建的納米粒〕 34 2.1.5 碳納米材料 34
2.2 生物醫用納米材料制備、表征與質量控制 34
2.2.1 化學組成 35
2.2.2 晶體結構與結晶度 35 2.2.3形狀、尺寸及尺寸分布 36 2.2.4 表面修飾分子 36 2.2.5 等電點 36 2.2.6 聚集態 37 2.2.7 表面化學特性 37
2.2.8 光、電、磁等物理特性 37 2.2.9 穩定性 38 2.2.10 生物相容性 38 2.3 重要的生物醫用納米材料 38
2.3.1 貴金屬納米材料 38 2.3.2 金屬氧化物、硫化物等無機化合物納米材料 54
2.3.3 碳納米材料 78 2. 3. 4有機納米材料 89
2.4 生物醫用納米材料的體內制劑 96 2.4.1 納米靶向制劑 96 2.4.2 透皮給藥制劑 100 2.4.3 納米制劑的體內外要求 103
參考文獻 108
第3章單細胞的操控、檢測與分析 117 3.1 單細胞控制 118
3.1.1 毛細管電泳 118 3.1.2 微流控技術 119
3.1.3 光鑷 120
3.1.4 磁鑷 121 3.1.5 電場 122 3.1. 6 聲場 123
3.2 胞結構的顯微與分析 124
3.2.1 光學顯微術 125 3.2.2 電子顯微術 132 3.2.3 掃描探針顯微術 140 3.2.4 電化學阻抗顯微鏡 143
3.3 單細胞的電學測量與分析 144 3.3.1 電化學方法 144
3.3.2 細胞電生理技術 145 3.3.3微納探極技術 147
3.4 細胞結構和成分的質譜表征與分析 151 3.4.1 基底輔助激光解吸電離質譜 151
3.4.2 二級離子質譜技術 152
3.5 小結與展望 154
參考文獻 154
第4章基於微流控芯片的納米材料細胞分析 163
4.1 微流控芯片在細胞生物學中的應用 163 4.1.1 微流控芯片上的細胞分離、分選 164 4.1.2微流控芯片上的細胞培養 164 4.1.3微流控芯片上的單細胞分析 165 4.2納米材料在微流控芯片細胞生物學分析中的應用 167 4.2.1碳納米管、金等納米材料 167 4.2.2量子點 171 4.2.3 其他 173
參考文獻 175
第5章細胞的三維培養及其顯微成像與分析 179 5.1 細胞的微環境與三維培養 179 5.1.1 腫瘤細胞與細胞之間的作用 180 5.1.2 腫瘤細胞與細胞基質之間的作用 180 5.1.3 低氧誘導因子對腫瘤細胞的作用 180 5.2 腫瘤細胞三維培養的基質 181 5.2.1 細胞三維培養基質的定義 181 5.2.2 細胞三維培養基質的設計原則 181 5.2.3 細胞三維培養基質的種類 181 5.2.4 細胞三維培養基質的制備方法 182 5.3 三維培養在腫瘤研究中的應用 187 5.3.1 用於腫瘤細胞的藥物評價 187 5.3.2 腫瘤干細胞的富集 190 5.3.3 用於腫瘤細胞侵襲轉移的研究 190 5.4 細胞三維生長的顯微成像與分析 191 5.4.1 以顯微成像與分析技術研究細胞的三維生長 191 5.4.2 Micro-CT技術的發展現狀 192 5.4.3 細胞團研究用Micro-CT繫統的主要關鍵技術 194 5.5 小結與展望 197
參考文獻 198
第6章納米材料與生物分子的作用 203 6.1 納米材料與生物分子作用的影響因素 203 6.2 納米粒子與蛋白分子的相互作用 204 6.3 納米粒子與凝血因子的相互作用 204 6.3.1 凝血因子的組成和主要功能 205
6.3.2 納米粒子與凝血因子的相互作用 205 6.4 納米粒子與核酸的相互作用 208 6.5 納米粒子與生物分子的相互作用及其應用研究舉例 209 6.5.1 金屬納米顆粒 209
6.5.2 二氧化桂納米顆粒 211 6.5.3 磁性納米果頁粒 212
參考文獻 213
第7章納米材料對細胞膜的作用 218 7.1 納米材料的跨膜轉運及其機制 220 7.1.1 納米材料的人胞方式和機制 220 7.1.2 納米材料人胞後的代謝歸宿 227 7.1.3 不同細胞攝取納米材料的差異 228 7.2 納米材料對細胞膜離子艦的影響 228 7.2.1 納米材料對細胞膜鉀通道的影響 228 7.2.2 納米材料對鈣通道的影響 232 7.2.3 納米材料對鈉通道的影響 232 7.2.4 納米材料對氯通道的影響 232 7.2.5 納米材料對超極化激活環核苷酸門控陽離子通道的影響 233 7.3 納米材料對細胞膜離子泵的影響 233 7.3.1 納米材料對恤Na+-K+-ATP酶的影響 233 7.3.2 納米材料對鈣泵和中樞神經遞質的影響 234 7.3.3 納米材料對細胞膜受體的影響 235 7.3.4 納米材料對G蛋白的影響 235 7.4 納米材料對神經細胞膜結構和功能的影響 236 7.4.1 納米材料對突觸傳遞和突觸重塑的影響 236 7.4.2 碳納米管在神經網絡構建中的特殊優勢和應用 236 7.5 納米材料的膜毒性和膜相容性 237 7.5.1 納米材料的膜毒性 237 7.5.2 納米材料的性狀和內吞對其膜毒性的影響 238 7.5.3 不同納米材料的毒性差異以及不同生物種群對納米材料毒性敏感性的差異 238 7.6 納米技術在細胞膜功能蛋白質研究中的應用 239 7.6.1 納米量子點技術用於研究膜蛋白循環 239 7.6.2 利用納米技術研究內源性大麻素的人胞機制 239
7.7 展望 240
參考文獻 241
第8章納米材料作用於細胞膜的模擬研究 246
8.1 引言 246
8.1.1 細胞膜 246 8.1.2 納米材料對細胞膜的作用機制及對細胞膜的影響 249 8.2 材料性質對納米材料與細胞膜作用影響的模擬研究 252 8.2.1 尺寸 252
8.2.2 形狀 253
8.2.3 表面電荷性質 253 8.2.4 親疏水性質 254
8.2.5 表面特異性修飾 255 8.2.6 濃度與聚集態 256
8.3 醫用納米載體對細胞膜的作用仿真 256 8.3.1 樹枝狀大分子 257 8.3.2 聚合物膠束 258 8.3.3 脂質體囊泡 261 8.4 相關研究中計算方法及模型的研究進展 264 8.4.1 不同時空尺度的艦模擬方法 265 8.4.2 分子動力學方法理論及應用概述 270
8.5 小結 279
參考文獻 280
第9章功能納米材料及結構對細胞遺傳特性的影響 286 9.1 納米材料對細胞基因組的影響 286 9.1.1 納米材料誘發遺傳毒性的潛在機制 286 9.1.2 金屬及金屬氧化物納米材料對細胞基因組的影響 288 9.1.3 非金屬納米材料對細胞基因組的影響 291 9.2 基因芯片技術在分析鐵納米材料基因毒性中的應用 301 9.2.1 基因芯片技術概況 301 9.2.2 基因芯片技術在分析鐵納米顆粒細胞效應中的應用 302 9.2.3 鐵納米顆粒對小鼠巨噬細胞基因表達譜的影響 304 9.2.4 鐵納米顆粒對兩種小鼠細胞基因表達影響的比較 306 9.2.5 鐵納米顆粒對鐵穩態相關基因表達的影響 312 9.3 問題與展望 315 9.3.1 納米材料對細胞遺傳特性評價的影響 315 9.3.2 檢測方法對細胞遺傳特性評價的影響 317
9.3.3 展望 319
參考文獻 319
第10章納米材料對細胞周期及特性的影響 331
10.1 細胞周期 331 10.2 細胞周期調控的分子機制 333 10.3 納米材料對細胞周期的影響 334 10.3.1 金屬納米顆粒 334 10.3.2 無機納米顆粒 338 10.3.3 高分子納米顆粒 340 10.3.4 功能化納米材料 341 10.4 利用納米材料雛細胞周期的應用 341 10.4.1 細胞周期與腫瘤治療 342 10.4.2 利用納米材料調控細胞周期在生物醫學研究中應用 342
10.5 小結 343
參考文獻 344
第11章納米粒子對細胞信號通路的影響 348
11.1 概述 348
11.2 納米粒子對信號通路影響的研究進展 350
11.2.1 二氧化鈦納米粒子 350
11.2.2 銀納米粒子 352
11.2.3 磁性納米粒子 354
11.2.4 金納米粒子 355
11.2.5 碳納米材料 356
11.2.6 其他納米粒子 357
11.3 小結和展望 358
參考文獻 358
第12章生物醫用納米材料對單核吞噬細胞繫統的作用 362 12.1單核吞噬細胞繫統簡介 363 12.2生物醫用納米顆粒對單核細胞的作用 366 12.2.1納米金屬材料 367 12.2.2無機非金屬材料 372 12.3納米顆粒對巨噬細胞的作用 376
12.3.1 量子點 376
12.3.2 納米金 378
12.3.3 納米銀 379
12.3.4鐵基磁性納米顆粒 381
12.3.5 脂質體材料 383
12.3.6 其他納米材料 385
12.3.7 蛋白冠 385 12.3.8 巨噬細胞對納米材料特殊的吞噬方式 387
12.4 小結與展望 388
參考文獻 389
第13章納米材料對細胞自噬的影響 394 13.1 細胞自噬簡介 394 13.1.1 自噬是細胞維持自穩態的關鍵生物學過程 394
13.1.2 完整自噬和非完整自噬 395 13.2 納米材料的細胞自噬效應 401
13.2.1 稀土納米材料 403 13.2.2 半導體量子點 404 13. 2. 3 碳納米材料 405 13.2.4 金屬納米材料 405
13.2.5 有機納米材料 406 13.2.6 其他納米材料 406
13.3 納米材料誘導細胞自噬的生物安全性問題 407 13.3.1 細胞自噬不是細胞死亡的一種形式 407 13.3.2納米材料誘導的細胞自噬與細胞命運的關繫 407 13.3.3 通過調控納米材料的理化性質及表面性能調控其自噬能力 408 13.4 納米材料誘導細胞自噬效應的應用 409 13.4.1 診療一體化 409
13.4.2腫瘤放化療增敏 411
13.4.3 提高抗原呈遞效率 411 13.4.4 消除細胞內沉積物 412
13.5 小結與展望 413 13.5.1 細胞如何識別納米材料而啟動自噬 414 13.5.2 納米材料引發自噬早期信號通路的過程 414
13.5.3 納米材料在細胞中的命運 415
13.5.4 自噬溶酶體命運 416
參考文獻 417
第14章碳納米管對免疫細胞的作用及其在抗腫瘤免疫治療中的應用前景426 14.1 巨噬細胞對碳納米管的吞噬作用 426
14.2 巨噬細胞對碳納米管的免疫響應 428 14.3 碳納米管的免疫刺激效應 433 14.4 碳納米管的免疫效應對於抗腫瘤免疫治療的意義 438 14.5 碳納米管作為抗腫瘤疫苗載體的研究 443
14.6 小結與展望 445
參考文獻 445
第15 章納米材料對神經細胞的作用 449 15.1 銀納米顆粒對神經細胞的影響 450 15.1.1 銀納米顆粒的安全評價與毒性作用研究 450 15.1.2 銀納米顆粒神經毒性作用機制 452 15.2 氧化鐵納米顆粒對神經細胞的作用 453 15.2.1 氧化鐵納米顆粒在神經繫統疾病治療中的應用研究 453 15.2.2氧化鐵納米粒子的毒性作用及機制 455 15.3碳納米管對神經細胞的作用 458 15.3.1單壁碳納米管的毒理學 458 15.3.2單壁碳納米管對神經細胞的作用 458 15.3.3多壁碳納米管對神經細胞的影響 460
15.4 二氧化鈦納米顆粒對神經細胞的作用 461
15.4.1 TiO2納米顆粒的安全性評價 462 15.4.2 TiO2納米顆粒對神經細胞作用的機制 462 15.4.3 TiO2納米顆粒對神經細胞的作用 463
15.5 硅納米顆粒對神經細胞的作用 464 15.6 聚合物納米粒對神經細胞的作用 466 15.6.1 可生物降解聚合物 466
15.6.2 Tween80包被的納米粒 466
15.6.3 長循環納米粒 468
15.6.4 主動靶向納米粒 468
15.6 其他 469 15.7 納米金應用於神經研究 470
參考文獻 472
第16章噬菌體在生物醫藥領域中的應用 476
16.1 噬菌體的概述 476 16.1.1 噬菌體是一種以微生物為宿主的病毒體 476
16.1.2 噬菌體的發現 476
16.1.3 噬菌體的分布 477
16.1.4 噬菌體的種類 477 16.1.5 噬菌體感染機理及侵染過程 479 16.2 噬菌體展示技術用於篩選相互作用分子 481 16.2.1 噬菌體展示原理 481
16.2.2 噬菌體展示基本步驟 482
16.2.3 噬菌體展本在研允中的應用 484 16.3噬菌體作為基因載體的研究 485
16.3.1 ?噬菌體簡介 485
16.3.2 ?噬菌體生活史 486
16.3.3 ?噬菌體的可取代區 488
16.3.4 ?噬菌體的基因組特征 489 16.3.5常用的代表性?噬菌體載體 490
16.3.6 ?噬菌體載體的克隆原理及步驟 493
16.3.7 ?噬菌體作為基因載體的研究舉例 494 16. 4 噬菌體與細胞相互作用及用於組織工程材料抗菌的研究 494
16.4.1 M13噬菌體引導細胞生長 495 16.4.2 M13噬菌體用做組裝納米材料 495
16.4.3 噬菌體用於抗菌試劑 496 16.4.4 M13噬菌體作為診斷試劑檢測細菌 497 16.5 噬菌體鮮其他臨細究 498 16.5.1 噬菌體用於腫瘤顯影劑 498 16.5.2 噬菌體用於腫瘤疫苗 499 16.6 噬菌體納米材料在生物醫學中的應用前景 500
參考文獻 502
索引 507

前言

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第1章緒論
納米科學與技術的興起與蓬勃發展，催生出了許多新的釀發展方向，推動了眾多新技術的跨越式進步。納米生物學及技術的出現與進展，包括其在醫學、健康等方面的應用研究，就是其中一個重要的方面。
納米生物學及技術，這裡統稱為納米生物技術，是緊密依托於納米表征與測量、納米材料、納米器件及繫統等的發展，結合生物學、醫學以及健鮮的發展與應用需求而產生並快速發展起來的重要方向。它從不同層次上研究並理解納米材料與器件對生物體的作用，發現相關生物效應，形成納米材料與器件的生物醫用基礎與技術，並終實現在生物醫藥以及人類健康方面的實際運用。應該說，歷史上大多數新的學問或新技術的出現，通常就會立刻被考慮應用於生命科學或生物學研究，以及用於發展醫學和健康相關的新技術。例如X射線的發現，從表面上看是因為一個偶然機會，將研究人員的手骨結構在塗有熒光物質的板子上顯示出了圖像，並很快被發現，隨即就被用於人體內部解剖結構的成像。而實際上，人們一旦發現某種工具可以透視人體的內部結構，就自然會考慮將其用於探究人體的內部情況，這實質上是一種推動醫學解剖學發展的重要原動力[1]。納米技術發展早期的一個重要標志，是1986年獲諾貝爾物理學獎的掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope,STM）的發明[2]，及其應用於各種納米材料或結構的表征測量以及諸如原子操控等[4]，其中，在567發明的早期階段，也有研究者立刻將其運用於研究一些諸如核酸分子的納米結構[3]，這也成為納米生物學或納米生物技術研究與發展的開端。早介紹567的著作可參見文獻[5]。
納米生物技術發展的核心細之一，在於認識並理解納米材料、納米器件等在一定環境或條件下與所遇到的生物體（biological object）的相互作用。這些生物體，可以是包括核酸、蛋白質等在內的生物分子、細胞與細胞器、組織、器官等。深入釀這些相互作用，有助於發現納米材料與器件的特殊生物效應，以及安全合理地在生物醫藥等方面使用這些納米材料、器件或納米技術;並且還可能基於仿生納米結構，研發出新型的功能納米結構或繫統，尋求更廣泛的應用。這其中，對於納米材料或結構作用於細胞的研究，尤為重要。因為一方面，它代表了納米材料作用於黯生物活的生命的果，將深化對生命科學的有關研究;另一方面，所產生的研究結果也將更具現實意義，可應用於生物醫藥等領域。第1章緒論
納米科學與技術的興起與蓬勃發展，催生出了許多新的釀發展方向，推動了眾多新技術的跨越式進步。納米生物學及技術的出現與進展，包括其在醫學、健康等方面的應用研究，就是其中一個重要的方面。
納米生物學及技術，這裡統稱為納米生物技術，是緊密依托於納米表征與測量、納米材料、納米器件及繫統等的發展，結合生物學、醫學以及健鮮的發展與應用需求而產生並快速發展起來的重要方向。它從不同層次上研究並理解納米材料與器件對生物體的作用，發現相關生物效應，形成納米材料與器件的生物醫用基礎與技術，並終實現在生物醫藥以及人類健康方面的實際運用。應該說，歷史上大多數新的學問或新技術的出現，通常就會立刻被考慮應用於生命科學或生物學研究，以及用於發展醫學和健康相關的新技術。例如X射線的發現，從表面上看是因為一個偶然機會，將研究人員的手骨結構在塗有熒光物質的板子上顯示出了圖像，並很快被發現，隨即就被用於人體內部解剖結構的成像。而實際上，人們一旦發現某種工具可以透視人體的內部結構，就自然會考慮將其用於探究人體的內部情況，這實質上是一種推動醫學解剖學發展的重要原動力[1]。納米技術發展早期的一個重要標志，是1986年獲諾貝爾物理學獎的掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope,STM）的發明[2]，及其應用於各種納米材料或結構的表征測量以及諸如原子操控等[4]，其中，在567發明的早期階段，也有研究者立刻將其運用於研究一些諸如核酸分子的納米結構[3]，這也成為納米生物學或納米生物技術研究與發展的開端。早介紹567的著作可參見文獻[5]。
納米生物技術發展的核心細之一，在於認識並理解納米材料、納米器件等在一定環境或條件下與所遇到的生物體（biological object）的相互作用。這些生物體，可以是包括核酸、蛋白質等在內的生物分子、細胞與細胞器、組織、器官等。深入釀這些相互作用，有助於發現納米材料與器件的特殊生物效應，以及安全合理地在生物醫藥等方面使用這些納米材料、器件或納米技術;並且還可能基於仿生納米結構，研發出新型的功能納米結構或繫統，尋求更廣泛的應用。這其中，對於納米材料或結構作用於細胞的研究，尤為重要。因為一方面，它代表了納米材料作用於黯生物活的生命的果，將深化對生命科學的有關研究;另一方面，所產生的研究結果也將更具現實意義，可應用於生物醫藥等領域。
在納米生物技術研究與發展的過程中，相繼采用57觀測分子的雙螺旋結構等研究之後，伴隨原子力顯微鏡（atomic force microscopy,AFM）等更多新的掃描探針顯微術的出現與發展，采用先進的納米表征測量手段研究生物納米結構，包括各種納米結構與材料影響生物分子及其功能等方面的研究逐漸開展起來。細胞，作為生命的基本單位，在納米生物技術發展中始終受到高度的重視，因為所有納米水平上的作用，或外源性納米材料對生物的作用，首先是細在對細胞的作用。因此，在掃描探針顯微術用以研究細胞等微納生物結構及相互作用的同時，更多的新技術，包括先進的光學顯微技術、微納電極與光極(統稱為微納搬)以及譜學方法等不斷湧現出來，並在納米材料細於細胞的研究中發揮出積極的作用。
1. 1基於掃描探針顯微術觀測細胞微納結構及生物過程
我們都知道，生物學的發展與顯微鏡的出現和發展密不可分。從早的光學顯微鏡的發明導致細胞結構被發現，到電子顯微鏡的出現及發展，細胞生物學的研究突飛猛進，並進一步將有關分子生物學的研究結合進去。如果將光學顯微鏡作為代顯微鏡(當然，目前光學顯微鏡也有非常快速的發展），電子顯微鏡作為第二代，掃描探針顯微鏡則可稱之為第三代，包括STM、AFM、磁場力顯微鏡(MFM)、激光力顯微鏡(LFM)、掃描熱顯微鏡(STrM)、掃描離子電導顯微鏡(SICM)、電場力顯微鏡(EFM)以及電容力顯微鏡（ECM）、掃描近場光學顯微鏡 (SNOM)和光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。掃描探針顯微鏡指一類顯微鏡，基本上是通過控制一個尖銳的針尖(探針^在樣品表面上掃描，由於該針尖與樣品表面發生相互作用，采取不同的設計原理，例如基於電流、電容、磁場等形式，將這種針尖與樣品的作用關繫或關聯表示出來，由此可以很高空間分辨以及靈敏地反映出樣品表面的結構，包括形貌、電子結構或磁學性質等信息。
DNA分子的張STM圖像是Binnig和Rohrer於1984年在真空條件下獲得的[6]，成像中的DNA分子未經過修飾，鋪展於基底表面。Driscoll等也曾在真空下對DNA進行STM成像，獲得了接近原子級的分辨結果[7]。STM可用來觀察固態、液態和氣態的樣品，但一般要求樣品具有較好的導電性，這也限制了它在生物分子和細胞等生物樣品觀測與分析方面的應用。1985年，Binnig、Gerber與發明了原子力顯微鏡(AFM)[11]，利用探測懸臂梁上的針尖和待測樣品之間的近距離相互作用，例如範德華作用力的強弱，獲得樣本表面的起伏及幾何形狀，可用於各種環境中的樣品，包括在液相中的樣品，且對樣品的導電性沒有要求，克服了STM的相關局限性。自此以後，在采用STM的同時，也逐漸開始用AFM等掃描力顯微鏡分析研究生物樣品，如DNA、RNA分子中的堿基配對或序列[4,7]、分子構像[8]以及蛋白質分子結構[9]等，其中也包括研究核酸分子與蛋白分子的復合體[10]。
早采用AFM觀測與分析細胞開展的研究主要包括Butt[12]Haberle[13]、Henderson[14]、Harbe、Radmacher等的工作。例如，Radmacher等[16]采用AFM對黏附於蓋玻片上的活體血小板的活化過程進行了成像。Henderson等[14] 對體外培養的神經膠質細胞肌絲的動態變化進行了連續AFM成像與分析，證明了AFM可鮮研究胞細纖結構動變化早的些究本是集中在對真核細胞與細菌的表面及形貌的觀測[17，18]。緊隨其後的許多研究則逐漸擴展到生物學研究的許多方面，特別是對單細胞以及單個生物分子更深入的釀，例如測量細胞的機械特性[19，22]、研究細胞表面受體的分布及受體-配體的結合力[23，24]、細胞膜以及膜蛋白的結構與力學特性[25-27]等等。
隨著AFM等技術的快速發展，利用其可達納米水平的高分辨本領，且可以實時觀生理環境中的生物樣品，大大推進了細胞生物學研究的進展。現在，AFM已被廣泛用於細胞生物學及相關醫學與健康研究的越來越多的方面。例如，Fabtner等采用多聚賴氨酸修飾的基底吸附大腸杆菌，采用連續掃描圖像間隔為 13秒的高速AFM，實時觀測了加入抗菌肽CM15後大腸杆菌所出現的褶皺、破裂等趨向死亡的動態過程[28]。EL-Kirt-Chate等[29]采用AFM並結合熒光顯微術，對念珠菌侵染巨噬細胞的形態變化進行了高分辨成像及分析，包括對念珠菌逃避巨噬細胞吞噬等各個階段的細致觀測，由此擴展了對念珠菌侵染巨噬細胞的認識與理解。Suzuki等[30]采用高速AFM聯合熒光顯微鏡技術，並特別采用了一種倒置光學顯微鏡的方式，研究細胞膜的形貌以及膜上發生的事件，重點研究了HeLa 和3T3成纖維細胞膜上外泌小泡的動態過程，對了解細胞膜上瞬態過程極具意義。
現在的腫瘤診斷，後的一個步驟，也是可靠的手段，就是建立在組織細胞水平上的病理學檢查。但由於存在著良性、惡性及細絲源判斷不準確等問題，需要結合免疫組化等技術。AFM的放大倍數和成像分辨率遠遠高於普通光學顯微鏡，黯足夠的分辨率檢測細胞結構，如微絨毛、吞噬細胞分泌的泡狀物、裂解的洞等。利用AFM發現正常細胞與間皮腫瘤及胰腺癌細胞在細胞微絨毛長短、數量、直徑之間存在顯著差別，因此，可以揭示腫瘤細胞的特異性納米結構，進而解決腫瘤診斷的一些難題。另外，近年來也用原子力顯微鏡對細胞的機械性能進行檢測，以達到區分正常細胞與腫瘤細胞的目的。Kirmse等[31]采用結合熒光顯微術和 AFM，釀了生長在表面修飾有I型膠原纖維基質的雲母片上、且細胞膜上表達有MT1-MMP蛋白酶的黑色素瘤細胞，包括癌細胞轉移過程中的細胞黏附、牽引力作用、胞外膠原蛋白水解等各個方面，展示了此癌細胞轉移過程中細胞黏附、牽引力和膠原蛋白水解之間的相互依關繫。Igor Sokolov等[32]利用AFM觀察發現正常細胞與癌變細胞表面特性存在重要差異，一般正常細胞表面具有單一長度的刷狀物，而癌變細胞則有兩種長度的刷狀物，且密度也和正常細胞不同，重要的是這種差異可能造成正常細胞和癌變細胞對納米微粒產生不同的反應，這將有助於開發出偵測及殺滅癌細胞的繫統。Cross等[33]用AFM測量了來自疑似轉移癌病人的正常細胞和惡性腫瘤細胞的彈性，發現癌細胞要比良性細胞軟70%之多，正常細胞的彈性模量為（1.94±0.70)kPa，而癌細胞的彈性模量為（0.53±0.10)kPa。因此，有可能通過彈性硬度將癌變細胞和正常細胞區分開來。Li-Sophie Z.Rathje等采用探針尖端固定膠體微球的測量細胞的硬度，並結合熒光顯微成像等，揭示出致癌基因以及一些膜蛋白，如HDAC6，顯著影響癌細胞的硬度以及遷移能力[108]。可見，癌細胞的機械特性(如硬度、空間形狀等)對腫瘤發生和擴散等機理的認識非常重要。
除了 AFM，掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、掃描電化學顯微鏡(SCEM)等掃描探針顯微鏡，在細胞觀測與分析等方面也逐漸發揮起重要的作用。Zweyer等采用SNOM研究了Jurkat和MDAMB453細胞的形貌[34]，Rieti等則結合AFM和SNOM研究了人HaCaT細胞受非電離輻照後形貌及有關生化性質的改變[35] ；此外，還有一些研究涉及觀測細胞的有絲分裂，原位DNA、RNA的測序，以及觀察細胞形貌隨時間變化的動力學過程等[35,36]。
掃描電化學顯微鏡(SCEM)是將可做三維運動或掃描的超微電極作為探頭，插入到觀測對像的電解質溶液中，獲得超微電極電流隨掃描而變化以用於成像[41]。可用於研究與細胞活性相關的生化反應[42]、細胞膜的通透性[43]、酶活性的評價[45]等。例如， Beaulieu等使用SCEM對COS7細胞膜進行實時成像觀測，發現加入刺激藥物可導致細胞氧化應激明顯增加[44]。
1. 2單細胞檢測與分析技術
細胞是構成生命體的基本單位，其結構與功能，包括新陳代謝、信號轉導等，是生命體繫中基本活動的內部原因，對生命整體至關重要。細胞活動也是生命活動的縮影，不僅體現著生命的多樣性和統一性，更體現著高度的復雜性。傳統的生物檢測，尤其是細胞檢測，往往通過大量細胞數據進行統計而獲得一個平均值。然而，基於大量細胞檢測得到的平均數據往往忽略了很多單個細胞的信息，例如，單個細胞即使外觀差異不大，其內部卻可能有很大差異(化學組成差異、特定基因表達的多樣性、代謝物或離子濃度差異、對激響應模式的差異等)，即所謂的細胞的異質性。由此可知，這些單個細胞的信息各不相同，可以分別研究與理解，並可能成為檢測、診斷、治療的關鍵信息。
單細胞檢測與分析早的研究可追溯到20世紀40年代對酶活性的檢測，其後的發展較為緩慢。直到20世紀八九十年代，隨著微柱相色譜儀、毛細管電泳、電流分析、熒光技術的出現，單細胞檢測技術纔得到了真正的快速發展。以單個細胞，特別是單細胞檢測為細進行的研究，可以獲得反映細胞生理狀態和過程的更準確、更全面的信息，可以使人們更好地了解細胞群體中某些特殊的細胞功能，更深入地認識細麵異、細胞間通信、神經遞質及藥物或毒物刺激的生理影響等，有望用於重大疾病的早期診斷與治療，也成為近年來國內外研究的熱點。
單細胞作為研究對像，具有以下幾個特點：①一般而言，單個細胞尺度在微納米量級；②細胞胞內組分復雜，很多組分擁有相似的結構、化學性質以及功能等； ③被測組分含量很低，甚至可能在fmol水平;④細胞的化學組分會因外

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