细胞电泳

细胞电泳技术是通过测定细胞表面的电荷性质和密度，以研究细胞表面的结构和功能变化的一种精细和灵敏的生物物理学方法。其原理与一般纸上电泳技术的原理基本相同，都是以多相系统(如细胞悬浮液、蛋白质胶体溶液等)在外加电场的作用下发生分散相（如悬浮的细胞或颗粒物质）对分散介质（如各种溶液）的相对移位为基础。但纸上电泳技术的实验目的是从纸上析出或测定电泳结果所形成的物质，而细胞电泳的实验目的是在显微镜下直接观察悬浮于溶液中的细胞或颗粒物质在电场作用下的移动，并根据移动的方向（即向阳极或向阴极）来测定细胞或颗粒物质表面所带电荷的性质 （即阴电荷或阳电荷），根据移动的速度来测定细胞或颗粒物质的电泳率。电泳率一般系指细胞或颗粒物质的移动速度对于外加电场强度的关系，其表示单位为μm/(s·V·cm)。细胞电泳装置有开放型和封闭型两种。国外有各种形式的细胞电泳装置，但结构复杂，样品用量大。国内试制成一种简便、微量方形玻璃毛细管式的细胞电泳装置。
细胞电泳在医学范围内曾应用于研究癌细胞表面特性和表面分子结构的改变； 抗原抗体反应过程中细胞表面电荷密度的变化； 抗生素、消毒剂等对细菌表面组成、结构和功能的影响； 病毒与感染细胞的表面结构和功能变化的关系，病毒与感染细胞上特异性受体的结合； 电离辐射所引起的细胞表面微细结构的破坏、细胞表面酶系统的失活等。此外，在研究细胞免疫方面，巨噬细胞电泳和淋巴细胞电泳亦能反映出巨噬细胞电泳缓慢因子以及T细胞和B细胞的百分率。

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细胞电泳

细胞悬浮于某种合适的介质中，在电场的作用下，向着与它自己表面所带电荷相反的电极移动，这种现象称为细胞电泳。观察这种现象需借助于显微镜，故又称显微电泳。细胞电泳是一种简便的生物物理技术，它有助于研究细胞表面所带电荷的性质和密度，而且由于这种电学行为与膜表面结构与功能密切相关，因而是研究细胞膜表面生物物理特征的工具。由于疾病的发生、发展和药物的作用，都涉及细胞表面电荷的变化，因此，细胞电泳对探讨疾病的发病机理、药物作用机理以及临床诊断均有一定的意义。
基本原理 悬浮着细胞的溶液可以看作是一种分散体系。其中细胞可认为是分散相，溶液可认为是分散介质。分散相和分散介质各自带有不同的电荷，一般地说，细胞是带负电荷的，溶液是带正电荷的，因此在电场作用下，两者之间发生相对移动。分散相的移动称为电泳，分散介质的移动称为电渗。电泳和电渗是同时发生的。细胞表面带电的原因在于它的表面有各种带电的基团，这些基团是细胞膜结构的组成成分之一，如羧基、氨基、巯基、羟基、磷酸基等。目前业已证明，构成细胞表面的糖蛋白链上的神经氨酸所带的羧基是许多细胞显示出负电荷的主要带电基团。由于细胞表面带负电荷的基团 (如羧基COO-)占多数，因而在直流电场的作用下，细胞常向正极移动。
由于作为分散相的细胞表面与分散介质之间所带电荷不同，两者之间的界面形成特殊的结构——两界面充有相反电荷，这种结构称为“双电层”。它由吸附层和扩散层组成，当颗粒处于电场中，吸附层与颗粒一起朝与自身电荷相反的电极移动；而扩散层则与分散相一起，向另一方移动。当这两层间发生如此相切移动时，则产生了电位，称之为Zeta电位。由吸附层和扩散层叠加的厚度，称为双电层厚度，其尺寸取决于溶液的性质和组成。
仪器构造 细胞电泳仪有分析型和制备型两类。分析型中又有计时式细胞电泳仪、Zeta电位计和全自动细胞电泳仪等，它们的共同特点是可以了解细胞及生物颗粒电泳率、Zeta电位或表面电荷等参数与细胞数或生物颗粒数之间的关系。制备型中又有流式细胞电泳仪和密度梯度细胞电泳仪，它们不仅具有分析型细胞电泳仪的功能，而且可以分离到具有不同电泳率、Zeta电位和表面电荷的细胞或生物颗粒的样品。兹以国产计时式细胞电泳仪为例，介绍其主要结构。它由直流电源、控制线路、观察小室和电极、显微镜和灯源、记时系统及恒温系统六部分组成。
(1) 直流电源： 与观察小室两端的电极连接，用来产生泳动电场。一般采用可在40～120V范围内调节的晶体管直流电源装置。
(2) 控制线路和操作盒：控制线路如图1，此线路的六柱双刀双掷开关系安装在一个控制盒内，其余部分系与直流电源、记时和警报系统一起安装在主机盒中。
(3) 电泳小室和电极系统： 这是细胞电泳设备中的关键部分。根据是否与空气相通，观察小室可以分开放型和封闭型两种。开放型易受各种因素干扰，故目前通用的均为封闭式观察小室。这种小室可用截面为正方形或长方形的玻璃毛细管制成，它的优点是样品用量很少，毛细管两端用琼脂盐桥塑料管(内含10%NaCl和琼脂)封闭，并与银一氯化银电极相通。
(4) 显微镜和光源：一般生物显微镜或相差显微镜均可，当观察红细胞、淋巴细胞、巨噬细胞和腹水癌细胞时，宜用10×45的放大倍数；当观察血小板和大肠杆菌时，宜用15×45的放大倍数。显微镜的载物台需侧放，以利于较长时间地观察。
(5) 恒温系统： 细胞

图1细胞电泳线路图
B直流电源，K₁总开关，K₂六柱双刀双掷开关，R电位器，V直流电压表，A直流电流表

电泳一般应在25℃恒温条件下进行，可采用空气恒温和水恒温这两种方法。空气恒温是将全部细胞电泳设备和器材都放在由空调设备控制的恒温室中，操作者在恒温室中进行操作。也可建立恒温橱，把全部仪器和器材放在橱内，仅显微镜的目镜伸出橱外，操作者双手伸入橱内操作。水恒温的方法有两种：一种是将整个观察小室和电极浸在恒温水中，这种方法需要有密封性能很好的电泳小室、电极装置和防水物镜。另一种方法是用恒温水循环流动于一个密封较好、体积很小的双层金属盒内，其中可放入电泳小室和电极系统，以达到恒温的目的，这一方法的优点是操作方便，并不要求电泳小室和电极系统完全封闭，也不要求用防水物镜。(6) 记录系统：细胞电泳时，一般是记录在一定电压、温度、介质条件下细胞泳动一定距离所需的时间，根据这一时间可以计算出电泳速度、电泳率、Zeta电位和表面电荷的密度。最早是用秒表计时，目前国内多采用数字脉冲电子管电子计时和自动打字机打印联合装置，也有使用电视机与数控装置自动化时，自动打字机输出。它可以计录被测细胞个数、平均泳动值、标准差、画出细胞数和电泳率关系图以及图中的峰形、峰数、每个峰的均数和细胞的个数。
观察深度 细胞电泳速度和电泳率与观察层的深度有关，因为在通电时，在封闭的玻璃观察小室中，既有细胞对溶液的相对运动——电泳，也有溶液对带负电荷的观察小室壁的相对移动——电渗。因此，通常所测得的数值是电泳和电渗的总和。根据流体力学有关定律，在观察小室两端密封的条件下，由于室中液体内的流量为零，因此可以在观察小室的某一深度上找到一个电渗等于零的层次，称为“静止层”或“测量深度”。细胞电泳应在“静止层”平面上进行。
测定对象及计算方法 可直接观测的细胞有红细胞、血小板、巨噬细胞、淋巴细胞、白细胞和腹水癌细胞等，其他组织细胞需经游离后才能测定。电泳结果的表示方法通常有：
❶泳动一定距离所需的时间 (s),
❷电泳速度(μm/s),
❸电泳率(电泳速度/电压梯度，单位为(μm·s^-1)/(v·cm-1),
❹Zeta电位(V),
❺电荷密度(静电单位/cm²)。表1为一些动物红细胞的电泳率、Zeta电位及表面电荷密度。
细胞电泳在医学和生物学中应用 (1)分子生物学的研究：由于细胞表面电荷由其表面蛋白、多糖、脂质的化学结构所决定，因此膜表面上微弱的变化，就会在电泳行为上反映出来。例如，用神经氨酸酶处理红细胞后，其电泳率明显下降，证明红细胞的表面电荷主要来自涎酸或N-乙酰神经氨酸上的羧基。细胞电泳可应用于PHA、conA、ADP、儿茶酚胺等物质的膜表面结合受体部位的研究，也可用于免疫核糖核酸活力的检测。

表1 哺乳动物红细胞电泳率、Zeta电位及电荷密度比较表

动 物	电泳率	Zeta电位 （伏）	表面电荷密度 （未经校正） (静电单 位/cm2)	表面电荷密度 （经校正） (静电单 位/cm2)
兔 树獭 猪 袋鼠 豚鼠 人 恒河猴 小鼠 猫 大鼠 狗	0.55 0.97 0.98 1.07 1.11 1.31 1.33 1.40 1.39 1.45 1.65	0.0070 0.0124 0.0125 0.0137 0.0142 0.0168 0.0170 0.0179 0.0178 0.0186 0.0211	1890 3330 3360 3680 3780 4500 4570 4800 4980 4980 5660	1410 2480 2500 2940 2820 3350 3400 3580 3560 3710 4220

(2) 癌变机理研究： 肿瘤组织细胞电泳率较相应的正常组织大，说明肿瘤细胞表面有较多的负电荷。
(3) 淋巴细胞免疫功能的研究： 已发现淋巴细胞中，电泳率较大的是T细胞，而电泳率较小的属于B细胞，故细胞电泳既可以鉴别也可以分离T细胞与B细胞。
(4) 肿瘤及免疫诊断： 当肿瘤病人的外周淋巴细胞与恶性肿瘤碱性蛋白接触时，可产生一种使巨噬细胞电泳减缓的因子，而正常人则否。据此可用于肿瘤临床诊断及其他免疫学诊断如器官移植前的组织配型等。
(5) 研究中医血瘀症及活血化瘀原理： 国内应用细胞电泳技术发现中医诊断的血瘀症患者及紫舌患者，其红细胞及血小板电泳显著减缓，说明这类病人的红细胞及血小板表面电荷下降； 而经某些活血化瘀药（如丹参）治疗后得到改善，因此细胞电泳技术对中医血瘀症本质及活血化瘀原理探讨有一定价值。
(6) 血栓性疾病发病机理研究： 应用此技术发现中风、心肌梗塞、冠心病、血栓闭塞性脉管炎、视网膜中央动脉或静脉栓塞等血栓性疾病患者红细胞及血小板电泳减缓。此外还发现ADP可诱导电泳减缓，但上述病人的电泳减缓率明显地比正常人增加。以上说明这类疾病的发生与血细胞表面电荷下降和表面结构改变有关。
(7) 研究末梢血细胞电泳图及其病理变化： 健康人末梢血细胞的电泳图，呈现红细胞、白细胞、淋巴细胞三个峰的电泳图，已证明这些峰形及电泳图的改变与血液中出现异常血细胞有关，许多血液病及炎症性疾病常出现上述峰形改变，这对上述疾病的病理学研究有一定意义。
(8) 其它：如在微生物学方面，细胞电泳技术（尤其是与化学或酶处理方法结合应用时）可提供某些药物、抗生素和消毒剂等对细菌表面结构和功能影响的资料； 可用于分析某些外源性物质（如抗血清）在细菌表面上的吸附作用； 以及由于细菌的粗糙型“R”菌突变株与相应的光滑型“ S”突变株之间在电泳率上的差异，也有助于检出细菌群体的不均匀性和鉴定细菌的变异。
在病毒方面，细胞电泳技术可用来研究病毒与感染细胞受体的结合，探测特异性受体的分子结构特点以及鉴定病毒颗粒（如流行性感冒病毒颗粒）的血凝集性。
在放射生物学方面，细胞电泳技术对于研究电离辐射引起的细胞表面细微结构的破坏、细胞表面酶系的失活和细胞内钾离子的外溢，以及细胞表面的某些活性化学基团的氧化、尤其是对于了解硫氢基 (SH) 和氨基(—NH2)在机体放射敏感性和放射性损伤中的作用，都是一个重要的工具。