《Methods》：Zeta potential: An efficient and cost-effective alternative for investigating cell-surface interactions
编辑推荐：
Aakash Gupta|Weizheng Wang|Joy Zhao|Qingsu Cheng美国威斯康星大学密尔沃基分校工程与应用科学学院生物医学工程系摘要背景监测和量化细胞表面相互作用对于药物发现以及了解细胞的生理和病理活动至关重要。虽然酶联免疫吸附测定、荧光共振能量转移和
Aakash Gupta|Weizheng Wang|Joy Zhao|Qingsu Cheng
美国威斯康星大学密尔沃基分校工程与应用科学学院生物医学工程系
摘要
背景
监测和量化细胞表面相互作用对于药物发现以及了解细胞的生理和病理活动至关重要。虽然酶联免疫吸附测定、荧光共振能量转移和原子力显微镜等技术在这一领域已被证明有效，但这些技术存在设备成本高、处理时间长以及需要专业培训人员等问题。此外，它们可能无法准确反映活体系统中的情况，比如活细胞内的状况。
方法
为解决这些问题，我们采用了泽塔电位分析方法，这是一种成本低、实时且无需标记的定量方法，可用于评估分子相互作用引起的表面电荷变化。该方法在研究受体-配体结合动力学方面尤为有用。在本研究中，我们通过泽塔电位分析了活体系统对外部刺激的生物反应，给出了两个示例。第一个示例展示了全氟和多氟烷基物质如何与人类乳腺细胞MCF10A和MDA-MB-231发生相互作用；第二个示例则研究了纳米粒子如何与大肠杆菌、伤寒沙门氏菌和枯草芽孢杆菌相互作用。这些相互作用通过泽塔电位检测结果与活细胞上标准抗原-抗体染色所得的免疫荧光染色结果进行对比验证。
结果
通过泽塔电位分析，我们可在15分钟内获得细胞表面相互作用的检测结果，且单次实验的成本低于5美元。研究表明，泽塔电位分析是一种强大且多功能的工具，可用于研究细胞表面相互作用，能够实现分子结合事件的实时监测，且可广泛应用于包括哺乳动物细胞和细菌细胞在内的各种活体系统。
讨论
对比实验结果表明，即使是那些能轻微改变活细胞表面电荷的微弱生物反应也能被清晰检测到。总而言之，这种检测微小变化的能力有助于确认受体-配体相互作用机制，为临床前药物研发阶段是否需要继续投入昂贵研究手段提供及时可靠的依据。
引言
细胞表面相互作用是许多生物过程以及对环境刺激（包括外来颗粒）响应的基础[1]、[2]。因此，为了药物发现、癌症治疗以及应对抗菌素耐药性，研究细胞表面相互作用具有重要意义[2]、[3]、[4]、[5]。由于开发一种新药的临床前研究成本约为3亿至6亿美元，耗时3到6年之久[6]，高效的筛选方法有助于降低药物研发过程中的临床前成本。传统上，研究细胞表面相互作用的方法是采用放射化学分析法[7]，但这类方法成本高昂且存在安全风险。其他非放射性分析法，如酶联免疫吸附测定、荧光共振能量转移和原子力显微镜，虽然也有一定应用，但同样成本较高且耗时较长[8]、[9]、[10]。尽管也存在一些低成本方法[11]，但色谱法和透析法需要数天时间才能完成，且不适用于活细胞研究[8]。因此，迫切需要开发一种快速、准确且成本低廉的活体系统检测方法[12]。由于离子和分子在细胞膜上的分布不对称，活细胞膜会带有表面电荷，而与化学物质的相互作用可能会改变这些表面的电学性质，因此人们利用泽塔电位分析法来评估细胞表面相互作用所引起的整体表面电荷变化。
在本研究中，我们通过两个实例展示了活细胞与全氟和多氟烷基物质以及纳米粒子的相互作用情况。首先，观察了人类细胞在接触全氟和多氟烷基物质后的泽塔电位变化；其次，记录了细菌在接触纳米粒子后表面电荷的动态变化。对于这两种情况，我们都通过泽塔电位检测与免疫荧光染色相结合的方法对结果进行了验证。泽塔电位分析是一种成本低、效率高的方法，能够为活体系统中的细胞表面相互作用、结合动力学以及受体-配体动态提供实时信息，从而弥补现有方法的诸多缺陷。这些研究结果进一步凸显了细胞表面相互作用分析在药物研发中的重要性，包括用于设计针对多重耐药细菌的抗菌肽[13]以及针对肿瘤细胞的靶向疗法[12]。其中，抗原-抗体相互作用的研究也证明了泽塔电位是判断细胞间相互作用的可靠指标。总之，泽塔电位是检测活体系统中细胞相互作用的可靠方法，我们的研究结果强调了在临床前研究中分析细胞表面相互作用的重要性。
章节摘录
哺乳动物细胞培养
人类乳腺上皮细胞MCF-10A（ATCC，CRL-10317，第4代）和MDA-MB-231癌细胞系（HTB-26，第7代）被接种在T-75培养瓶中（产品编号：12565349），并使用完全培养基进行培养。MCF-10A细胞的完全培养基由500毫升的Dulbecco改良Eagle培养基/营养混合物F-12（Ham）组成，再加入5%马血清（产品编号：16050122）、0.01纳克/毫升的表皮生长因子（EGF，产品编号：PHG0313）以及0.25微克/毫升的氢化可的松（AC352450010）。
乳腺上皮细胞接触全氟和多氟烷基物质后的泽塔电位变化
为研究全氟和多氟烷基物质与正常乳腺上皮细胞结合后对细胞表面电荷的影响，我们在磷酸盐缓冲液和完全培养基中分别检测了未经处理和经全氟和多氟烷基物质处理后的MCF-10A细胞的泽塔电位。未经处理的MCF-10A细胞在磷酸盐缓冲液中的泽塔电位为负值，数值为-18.36±5.34毫伏，这一结果与细胞表面存在唾液酸和磷脂等阴离子物质相符。当这些细胞置于完全培养基中时，其泽塔电位则会出现上升。
泽塔电位是检测细胞表面相互作用的快速低成本方法
通过泽塔电位分析，我们可在15分钟内获得细胞表面相互作用的检测结果，单次实验的成本还不到5美元。尽管成本较低且处理时间较短，但检测结果十分可靠。这些相互作用的程度和性质不仅受细胞类型的影响，还会受到pH值、离子强度和温度等环境因素的作用[31]、[32]、[33]、[34]。
我们的研究结果表明，全氟和多氟烷基物质能够影响细胞的泽塔电位。
结论
研究表明，泽塔电位分析是一种强大且多功能的工具，可用于研究细胞表面相互作用。它能够实现分子结合事件的实时监测，且可广泛应用于包括哺乳动物细胞和细菌细胞在内的各种活体系统。更重要的是，泽塔电位分析兼顾了低成本方法和传统低通量检测方法的优点，为表面相互作用研究提供了一种可扩展且具有生理相关性的替代方案。
数据与材料的获取方式
如有需要，相关数据可向通讯作者索取。
关于本文撰写过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在撰写本文时，作者们使用了Microsoft Copilot、ChatGPT和Germini这些工具来检查拼写和语法错误，提升文章的可读性。在使用语言编辑工具之后，作者们又对内容进行了必要的修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。
作者贡献
Q.C.负责该研究的构思与设计；A.G.和W.W.负责完善研究方案、开展实验并分析数据；A.G.、W.W.和Q.C.共同对数据进行了分析；J.Z.负责数据的整理、分析以及结果的解读；A.G.、W.W.、J.Z.和Q.C.共同撰写并修改了论文稿件。所有作者都对论文进行了审核并同意将其发表。
资金支持
本研究部分得到了美国农业部提供的2024-67019-42619号资助、美国能源部提供的DE-SC0025403号资助以及美国国家科学基金会提供的ITE-2452585号资助。同时，我们也感谢威斯康星大学密尔沃基分校研究基金会的额外支持。
利益冲突声明
作者们声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
我们要感谢先进分析实验室为我们的研究提供的泽塔电位检测服务，同时也要感谢土木工程系的王寅博士为我们提供了全氟和多氟烷基物质溶液。这两位专家均来自威斯康星大学密尔沃基分校。
