原子力显微镜进行细胞分析——Cellular Analysis by Atomic Force Microscopy
作者： Malgorzata Lekka
出版：Pan Stanford Publishing
索书号：Q2/L536/2017/Y
ISBN： 978-981-4669-67-2
藏书地点： 武大外教中心
尽管有大量证据表明原子力显微镜(AFM)可用于识别弹性和黏附性改变的细胞，但将该技术作为辅助诊断方法仍存在争议。这本书是一本实用的教科书，教导人们如何评估活的，单个细胞的机械特性的AFM。在一系列的方法之后，介绍了确定弹性性能和定量粘合剂性能的测量方法。
原子力显微镜（Atomic
Force Microscope ，AFM），是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。
当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。
原子力显微镜的特点：1．高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。 2．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。 3．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、成膜条件评价、保护层的尺寸台阶测定、层间绝缘膜的平整度评价、VCD涂层评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等。 4．软件处理功能强，其三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设定。并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功能。
细胞的基本结构方面，细胞是构成所有生物体的基本单位，细胞能够维持各种独立的过程。最简单的例子是单细胞生物细菌，所有的细胞过程都在一个单细胞内进行。在多细胞生物中，不同种类的细胞具有不同的功能。这使得创造高度专门化的组织(结缔组织、肌肉组织、神经组织和上皮组织)成为器官形成的基础。尽管如此，所有器官的基本细胞结构仍然相似。细胞的中心部分是细胞核，这是一个膜包围的细胞器，作为DNA链编码的遗传信息的存储场所。核糖体位于细胞核附近的无内质网中，负责蛋白质和脂肪的合成。新合成的蛋白质和脂质在高尔基体中进行分类，并从高尔基体中分布到其他细胞间室或细胞膜上。线粒体是储存能量的细胞器。它们包含两种主要的膜，使得细胞的内外结构的限制更大。内膜有很多蛋白质，能够参与蛋白质选择性合成和转运，外膜有许多蛋白质小分子。在细胞空间中，有多种类型的囊泡(如内小体)是细胞内和细胞与环境之间的分子运输所必需的细胞膜核糖体肌动蛋白。每个细胞都嵌入在一个外部环境中，细胞外基质(ECM)由各种成分组成，如蛋白质、蛋白聚糖、透明质酸等。细胞与ECM之间的边界构成了质膜，质膜起着选择性分子过滤器的作用，调节细胞间的通讯。所有细胞内的细胞器都嵌在细胞质中，覆盖着细胞内部。
胞质(液体部分)和胞质骨架(蛋白丝网络)的结构来看。胞浆是由水、溶解体、大的水溶性分子、小分子和蛋白质组成的细胞内液体。它不是分子的单一溶液，它应该被认为是一种高度浓缩的介质。以上就是细胞的基本结构。
癌症领域的研究。癌症是一种非常复杂的疾病，涉及多个分子和细胞过程，由单个细胞中遗传突变的逐渐积累所引起。在从良性肿瘤向恶性肿瘤的转变过程中，最明显的形态学变化是可见的，其中细胞从高度分化的正常表型转变为迁移性和侵袭性的表型。大约90%的癌症死亡是由于原发性肿瘤的转移扩散。用于检测癌细胞的标准主要依赖于生物学和形态学描述，此外还辅以各种其他技术，包括遗传、化学和免疫学方法，用于微调诊断或治疗。尽管为制定更好的治疗方案付出了巨大努力，但我们治疗实体肿瘤(如乳腺、前列腺、子宫颈或结肠肿瘤)的能力仍然缺乏足够的检测方法。
致癌转化的细胞在许多方面不同于正常细胞，包括细胞各方面的变化，如生长、分化、相邻细胞之间与细胞外基质的相互作用、细胞骨架组织等。细胞骨架分化不良会导致癌细胞变形能力增强。癌细胞的低硬度会影响肌动蛋白丝和微管的的成分，最终将会损失细胞支架。此外，转移中的一个关键现象包括粘附相互作用，由细胞表面存在的不同类型的粘附分子维持。癌细胞侵袭和迁移的能力(临床上解释为肿瘤侵袭性)与细胞分化关系，与大多数癌细胞的粘附相互作用改变有关。
显而易见的是，如果新技术能够尽早带来关于癌症变化的更精确的局部信息，它们将会受到更广泛的关注。很少有方法能够评估细胞的机械性能。历史上，第一种技术是微量吸管抽吸。其他研究人员采用了磁珠流变学，微针探针，声学显微镜，以及用光镊操纵附着在细胞上的珠子。在这些技术中，原子力显微镜(AFM)可以以非常高的分辨率检测恶性肿瘤的变化，应用于成像模式或者作为以定量方式提供活细胞的机械特性(即它们变形和粘附的能力)的技术。它的主要优点是可以直接在其自然环境中测量生物物体，如缓冲溶液或培养基。
《原子力显微镜进行细胞分析》，一书于2017年由Pan Stanford Publishing出版，作者是Malgorzata Lekka。
《原子力显微镜进行细胞分析》针对细胞结构进行原子力分析。整合性强、探究性强的学习体系，指导学生阅读每一章。关键概念在每一章的开头清晰地出现，学习目标在每一节的开始。在本章的最后，一个特别集中的总结提供了进一步加强学习目标，并且能够给学生有机会测试他们对材料的理解。这本书提供了以下几个主题：细胞变形能力；细胞结构和功能；原子力显微镜的原理；细胞弹性的量化和原子力显微镜研究粘接性能。其中出现的示意图为学生提供生动形象的介绍。
《原子力显微镜进行细胞分析》一书中，作者介绍了用于研究最新的细胞结构研究方法，通过原子力显微镜，重点是最近的技术发展，讨论的主题主要包括五个部分。《原子力显微镜进行细胞分析》一书从讲解了最新细胞形态结构分析的基础内容和研究方法，旨在为想要进入该研究领域以及已经在领域进行科研的研究人员提供简明易懂的介绍以及方法技术指导。
《原子力显微镜进行细胞分析》一文中，原子力显微镜的具体应用是研究了胶粘剂的生物粘附，在细胞水平上，是通过形成粘附接触，连接配体表面受体实现的。单个配体和受体分子之间的接触相对较弱，不足以维持整个细胞对邻近细胞或ECM提供的环境的粘附。在自然界中，大量的黏附受体，连同它们在细胞膜上的密集分布，利用单个的弱键，促进稳定而长寿的黏附位点的形成。许多弱键的存在而不是单个强键的存在，可能使细胞获得了对外界刺激作出快速重排的灵活性和能力。此外，单分子配合物通常必须在外力作用下才能发挥作用。因此，为了了解细胞的黏附性，研究特定条件下的黏附破坏是至关重要的。这些研究对生物学家来说很有价值，因为它们提供了关于粘附分子结构及其结合和不结合特性的信息。特别是，如果在接近自然条件的活细胞表面进行这样的测量，就可以更好地了解分子在正常条件下的功能。本章简要介绍了原子力显微镜下进行的力诱导解结合实验的基础，成功的学习系统指导学生通过每一章提升生物学方面的知识，并为学生提供必要的学习策略，以整合生物学概念，并证明掌握这些概念。学习目标是每个部分和重点检查的问题，在本节结束使学生能够解决他们当前的疑惑。
《原子力显微镜进行细胞分析》一书作为细胞显微分析专业研究读物，观点新颖独到，内容饱满详实、语言浅显易懂，除此之外，还包括一些其他的特点：
1、本书分为五个部分，既讲解了细胞的基础结构理论知识，还深入讲解了原子力显微镜的最新研究进展。是一本应用性核实用性结合很强的书籍，对于想要学习生物学的研究人员来说是一本很有意义的指导书籍。
2、每个部分都分为很多的小章节，每个章节都是由相关领域的专业人士所撰写，因此，本书讲解既详细又专业，本书能够从中了解到生物相关的专业知识以及最新的前沿进展。
总的说来，《原子力显微镜进行细胞分析》一书为想要了解原子力显微的研究人员提供了清晰的导读路径，作为生物学领域的一本前沿研究图书，是一本值得为想要涉足该领域的人员推荐的专业书籍。
主要内容
前言
1.介绍
1.1细胞变形能力
1.1.1监控壳聚糖对癌细胞的影响
1.1.2癌细胞的机械敏感性
1.1.3硬度作为癌症等级
1.2细胞粘附能力
1.2.1活细胞中的特异性相互作用
2.细胞结构和功能
2.1细胞外基质
2.1.1细胞外基质蛋白
2.1.2蛋白聚糖
2.1.3细胞外基质的其他成分——透明质酸
2.2细胞膜
2.2.1膜结构
2.2.1.1脂质
2.2.1.2蛋白
2.3表面受体
2.3.1整合素
2.3.2钙粘蛋白
2.3.3选择素
2.3.4免疫球蛋白家族
2.3.5多糖
2.4细胞骨架
2.4.1肌动蛋白丝
2.4.2微管
2.4.3中间长丝
3.原子力显微镜的原理
3.1原子力显微镜操作原理
3.1.1悬臂
3.1.2悬臂挠度检测系统
3.1.3反馈回路
3.1.4扫描和定位系统
3.2力光谱学
3.2.1校准
3.2.1.1光电探测器灵敏度
3.2.1.2校正因子κ敏感
3.2.1.3弹簧常数
3.2.1.4力与样本距离转换
3.2.1.5流体动力阻力
3.2.1.6力检测极限
3.2.1.7扫描仪线性化
3.2.1.8扫描仪速度测定
4.细胞弹性的量化
4.1材料特性和理论模型
4.1.1材料力学中使用的基本术语
4.1.2流变模型软材料的
4.1.2.1力学行为
4.1.2.2软玻璃模型
4.1.2.3张拉整体理论
4.1.2.4材料分类基于缩进的属性
4.2单细胞变形性测量
4.2.1原子力显微镜
4.2.2力曲线选择标准的实验条件
4.2.3力与压痕曲线
4.2.4杨氏模量的测定
4.2.4.1最终杨氏模量的计算
4.2.5深度传感分析
4.2.6刚度层析成像
4.2.7影响细胞弹性的不同因素
4.2.7.1校准的差异
4.2.7.2可变性源于细胞相关因素
4.2.7.3原子力显微镜实验条件的影响
4.2.7.4源自赫兹接触力学理论的差异
4.2.7.5接触点的确定和数据分析
4.2.7.6基质性质
4.2.7.7比较的性质人类膀胱癌细胞
5.原子力显微镜研究粘接性能
5.1分子解束缚:理论基础
5.1.1克莱默理论简介
5.1.2力诱导的单键断裂
5.1.3通过能源壁垒
5.1.4能量屏障高度
5.1.5多重键断裂
5.1.5.1顺序键断裂:“拉链状”模型
5.1.5.2顺序键断裂:“平行样”模型
5.1.6比较两个单一配合物的解束缚性质
5.1.7单分子相互作用的其他理论模型
5.1.7.1·杜德科-悍马-萨伯模型
5.1.7.2·弗里德尔-诺伊-德约里奥型
5.2原子力显微镜对粘合性能的测量
5.2.1分子与所需表面的附着
5.2.1.1原子力显微镜探针功能化
5.2.1.2细胞探针的制备
5.2.1.3细胞原子力显微镜的制备衡量
5.2.2结合位点的抑制
5.2.3分子复合物的解束缚:力曲线
5.2.4从单一力曲线导出的参数
5.2.4.1拉脱力和力直方图绑定之间的解除
5.2.4.2关系力和断裂键的数量
5.2.4.3断裂长度及其直方图
5.2.4.4断裂债券的数量
5.2.4.5解除绑定的概率
5.3活细胞中的单分子相互作用:一个案例研究
5.3.1原子力显微镜研究膀胱癌中氮钙粘蛋白的性质
5.3.1.1 Ncad-GC4复合体力曲线的形状
5.3.1.2 Ncad-GC4复合体的解约束力依赖于加载速率
5.3.1.3人膀胱细胞中的力直方图
5.3.1.4多重解束缚
5.3.1.5贝尔-埃文斯模型参数
5.3.1.6能源景观重建
5.3.1.7 Ncadh-GC4复合体的动力学剖面
5.3.1.8 Ncadh-CG4复合体的特异性
5.3.1.9总结
5.4活细胞作为探针
6.结论
指数