国自然热点——氧化应激该如何研究?看这一篇就够了!

文摘   2024-12-15 20:01   上海  

氧化应激已成为国自然关注的热点,下面我们将从背景介绍、研究手段、方法、结果分析等角度深入解析这一主题。

一【背景介绍】氧化应激是什么?

氧化应激是指在生物体内,由于氧化剂和抗氧化剂之间的平衡被打破,导致过量的活性氧(ROS)或其他自由基的积累。这种不平衡状态可能对细胞结构(包括脂质、蛋白质和DNA)造成损伤,从而引起各种疾病。

概念

活性氧种类(ROS)是氧的部分还原形式,包括超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟基自由基(OH·)等。它们是细胞正常代谢的副产品,尤其是在线粒体的能量代谢过程中产生。在正常条件下,这些活性氧在体内通过抗氧化系统(包括酶类抗氧化剂如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶等和非酶类抗氧化剂如维生素C、维生素E等)被清除或平衡,以保护细胞免受自由基损伤。


原理与机制

产生机制:

线粒体呼吸:线粒体在能量转换过程中,部分氧气分子会被还原成活性氧。
炎症反应:白细胞在杀菌过程中会产生大量活性氧,用以消灭入侵的病原体。
外界因素:环境压力、紫外线照射、化学药品暴露等也能促进活性氧的产生。


损伤机制:

脂质过氧化:活性氧可攻击细胞膜的不饱和脂肪酸,引发链式反应,破坏膜结构,影响细胞功能。
蛋白质氧化:氧化作用改变蛋白质的结构和功能。
DNA损伤:活性氧可引起DNA链的断裂、突变等,影响基因的正常表达。


生理与病理效应

在生理条件下,适量的活性氧参与调控细胞的信号传导、细胞分化等重要生理过程。然而,当氧化应激过度时,过量的自由基会对细胞组织造成严重损伤,与多种疾病的发生发展有关,如癌症、心血管疾病、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)、糖尿病等。

二【研究手段与方法】氧化应激如何研究?

氧化应激的研究涉及多种技术手段和检测指标,以解析其复杂的生化途径和调控机制。以下是一些关键的研究方法和技术:

直接检测方法

电子自旋共振(ESR):

ESR是一种可以直接检测自由基的技术。它利用自由基中未成对电子的磁性特性,通过测量样品中的磁共振信号来鉴定和定量自由基。

荧光探针法:

特定的荧光探针可以与活性氧发生反应,产生荧光。例如,DCFH-DA(2',7'-二氯荧光素酸)是一种常用的探针,可以通过氧化成为高度荧光的DCF,用于检测细胞内ROS的水平。


间接检测方法

生物标志物测定:

脂质过氧化产物:如丙二醛(MDA)和4-羟基烯醛(4-HNE)。这些可以通过如硫代巴比妥酸反应(TBARS)测定、高效液相色谱(HPLC)等方法检测。

蛋白质氧化产物:如羰基化蛋白。通过特定的标记和免疫检测方法(如ELISA)来测定。

DNA氧化损伤:如8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)。常通过ELISA或质谱法(如液相色谱-串联质谱法,LC-MS/MS)检济。

酶活性测定:

检测抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和过氧化氢酶(CAT)的活性。这些酶的活性反映了生物体抗氧化防御系统的状态。

三【结果分析】氧化应激实验结果怎么看?

下面我们来举2个例子带大家一键看懂氧化应激实验结果。

1.LANCL1突变体阻断了HCC球状细胞中ROS的增加

PMID:37540188,《Hepatology》

中科院一区,IF:14.0

流式细胞仪分析(左图)

实验组设置:

NTC + Vector:负对照组,未处理LANCL1抑制和未过表达任何LANCL1变体。

shLANCL1 + Vector:LANCL1被敲低的细胞,未过表达LANCL1。

shLANCL1 + LANCL1 WT:LANCL1被敲低,并过表达野生型LANCL1。

shLANCL1 + LANCL1 K317A:LANCL1被敲低,并过表达K317A突变型。

shLANCL1 + LANCL1 3BS:LANCL1被敲低,并过表达3BS突变型。

分析指标:通过流式细胞仪,用FITC标记的探针检测活性氧的水平。图中的峰位代表ROS水平,右移表示ROS水平增加。

统计图分析(右图)

数据表示:图表显示了相对于控制组(shLANCL1 - LANCL1 -)的ROS水平。结果用均值±标准误差表示。

结果分析:

shLANCL1 + Vector:相比于NTC + Vector组,显示了显著增加的ROS水平,表明LANCL1的敲低导致ROS的增加。
shLANCL1 + LANCL1:LANCL1的过表达显著降低了ROS水平,接近于NTC水平。

2. ROS探针DCFH-DA染色显示细胞内的ROS 生成

PMID:37221521

《Journal of Nanobiotechnology》

中科院一区,IF:10.2


图像分析(上方)

每个图像中,蓝色代表细胞核(染色用DAPI),绿色代表DCFH-DA的荧光,指示ROS的水平。
在这些图像中,绿色荧光的强度和分布提供了关于细胞内ROS水平的直观信息。更亮的绿色表示更高水平的ROS。

灰度值分析(下方)

每个条件下的灰度值图表显示了单个细胞(如图中红色箭头所指)的DCFH-DA荧光强度沿细胞某一线段的分布。X轴代表距离(单位:微米),Y轴代表灰度值,即荧光强度。
Control、SiO2:几乎无荧光,表明控制条件下ROS生成极低。
GAL, SG, S@M, SG@M:这些处理中,部分条件显示明显的荧光峰值,尤其是SG@M,表明这些处理诱发了显著的ROS生成。

结论

通过分析荧光强度和灰度值图表,我们可以得出以下结论:部分化学处理(如SG@M)显著增加了ROS的生成,表明这些物质或条件具有潜在的氧化应激作用。

四【国自然中标统计】氧化应激热度如何?

2024年医学科学部“氧化应激”部分中标项目

总而言之,氧化应激的研究已成为现代生物医学领域的一大热点,不仅因其在基础生物学中的核心地位,也因为其与多种疾病发生发展的密切关联。随着科技的进步,我们现已拥有多种高精度的检测方法和技术,如电子自旋共振(ESR)、荧光探针法、以及各类生物标志物的定量分析,这些技术为我们深入理解氧化应激的分子机制提供了强有力的工具。随着对氧化应激机制更加深入的理解,未来我们有望开发出新的预防和治疗策略,以应对由氧化应激引起的各类疾病,如癌症、神经退行性疾病及心血管疾病等。因此,继续投资于这一领域的研究,将对提高公共卫生和疾病治疗效果产生深远影响。



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