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新芝非接觸式細胞粉碎機SCIENTZ08-II在不同類型細胞破碎中的參數(shù)優(yōu)化及效能評估
上海儀器網(wǎng) / 2025-11-27

 

一、方案背景與意義

細胞破碎是獲取胞內(nèi)活性物質(zhì)（如蛋白、核酸、酶制劑）的關鍵預處理步驟，其破碎效率直接決定后續(xù)產(chǎn)物提取的產(chǎn)量與純度。傳統(tǒng)細胞破碎方法（如超聲破碎、高壓均質(zhì)）存在接觸污染、局部產(chǎn)熱過高、細胞破碎不均等問題，尤其不適用于高通量、高敏感性樣本的處理。新芝非接觸式細胞粉碎機SCIENTZ08-II基于超聲波非接觸作用原理，通過聲波傳遞實現(xiàn)細胞高效破碎，兼具無交叉污染、溫度可控、操作便捷等優(yōu)勢，可適配細菌、酵母、哺乳動物細胞等多種樣本類型。
本方案針對不同細胞的結(jié)構特性，系統(tǒng)優(yōu)化SCIENTZ08-II的核心參數(shù)（超聲功率、破碎時間、循環(huán)次數(shù)），量化評估其在細胞破碎率、胞內(nèi)物質(zhì)釋放量及活性保留等方面的效能，為生物制藥、微生物研究、臨床檢測等領域提供標準化的細胞破碎解決方案，解決傳統(tǒng)方法的技術瓶頸。

二、方案核心目標

  1. 建立SCIENTZ08-II在大腸桿菌、釀酒酵母及HeLa細胞破碎中的標準化操作流程；
  2. 探究超聲功率、破碎時間、循環(huán)次數(shù)對不同細胞破碎效率及胞內(nèi)產(chǎn)物活性的影響，篩選各場景最優(yōu)參數(shù)組合；
  3. 對比SCIENTZ08-II與傳統(tǒng)超聲破碎儀的破碎效能，驗證其在無污染、高穩(wěn)定性方面的應用價值。

三、實驗材料與儀器

3.1 實驗材料

  • 細胞樣本：大腸桿菌（E. coli DH5α，對數(shù)生長期，濃度1×10? CFU/mL）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae，穩(wěn)定期，濃度5×10? CFU/mL）、HeLa細胞（人宮頸癌細胞，對數(shù)生長期，濃度2×10? cells/mL）；
  • 試劑耗材：LB培養(yǎng)基、YPD培養(yǎng)基、DMEM培養(yǎng)基（含10%胎牛血清）、PBS緩沖液（pH 7.4）、BCA蛋白定量試劑盒（Thermo）、乳酸脫氫酶（LDH）活性檢測試劑盒（南京建成）、考馬斯亮藍染色液、胰蛋白酶、無酶離心管、96孔酶標板、移液器吸頭；
  • 其他：牛血清白蛋白（BSA）標準品、去離子水、冰袋。

3.2 實驗儀器

  • 核心儀器：新芝非接觸式細胞粉碎機SCIENTZ08-II（寧波新芝生物科技股份有限公司，超聲功率：100-1000 W，超聲頻率：20-25 kHz，處理容量：0.1-50 mL/樣本，控溫范圍：0-40℃，循環(huán)模式：連續(xù)/間歇）；
  • 輔助儀器：傳統(tǒng)超聲破碎儀（SCIENTZ-IID，寧波新芝）、紫外分光光度計（Thermo NanoDrop 2000）、酶標儀（Bio-Tek ELx808）、高速冷凍離心機（Eppendorf 5810R）、倒置顯微鏡（Olympus CKX41）、細胞計數(shù)板、電子天平（梅特勒ME204）。

四、方案詳情與實驗設計

4.1 實驗設計思路

選取結(jié)構差異顯著的三類細胞（原核生物：大腸桿菌；真核微生物：釀酒酵母；哺乳動物細胞：HeLa細胞），以SCIENTZ08-II為核心，采用三因素三水平正交實驗設計，設置超聲功率（300 W、500 W、800 W）、破碎時間（30 s、60 s、120 s）、循環(huán)次數(shù)（1次、3次、5次）為變量，每實驗組設置3個平行樣本，以傳統(tǒng)超聲破碎儀為陽性對照，未破碎細胞為空白對照。破碎后通過細胞破碎率、胞內(nèi)蛋白濃度、LDH活性三項指標評估效能。

4.2 具體實驗流程

4.2.1 細胞樣本預處理

  • 大腸桿菌：培養(yǎng)至對數(shù)生長期后，6000 rpm離心5 min收集菌體，用PBS重懸至濃度1×10? CFU/mL，備用；
  • 釀酒酵母：培養(yǎng)至穩(wěn)定期后，8000 rpm離心10 min收集菌體，PBS洗滌2次，重懸至濃度5×10? CFU/mL，備用；
  • HeLa細胞：胰蛋白酶消化貼壁細胞，離心收集后用PBS重懸，調(diào)整濃度至2×10? cells/mL，備用。

4.2.2 破碎參數(shù)設置與操作

將預處理后的細胞懸液（1 mL/管）放入SCIENTZ08-II的樣品槽，加入冰袋維持低溫環(huán)境（≤4℃），按正交實驗設計設置參數(shù)進行破碎。間歇模式下，每次破碎后靜置30 s；傳統(tǒng)超聲破碎儀對照組設置功率200 W、破碎時間60 s、間歇30 s，重復3次。破碎完成后，將樣本置于冰上保存，1 h內(nèi)完成后續(xù)檢測。

4.2.3 檢測指標與方法

  1. 細胞破碎率：采用臺盼藍拒染法，取破碎后樣本與臺盼藍染液1:1混合，倒置顯微鏡下計數(shù)，破碎率=（總細胞數(shù)-活細胞數(shù)）/總細胞數(shù)×100%；
  2. 胞內(nèi)蛋白濃度：將破碎樣本12000 rpm離心10 min，取上清液，通過BCA蛋白定量試劑盒檢測蛋白濃度，以BSA標準曲線定量；
  3. LDH活性：采用LDH活性檢測試劑盒，按說明書操作，酶標儀檢測450 nm處OD值，計算LDH活性（U/L），活性越高表明細胞破碎越充分。

五、實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

5.1 大腸桿菌破碎實驗結(jié)果

大腸桿菌細胞壁結(jié)構簡單（肽聚糖層?。?，易被破碎。正交實驗結(jié)果顯示，超聲功率對破碎效果影響最顯著（P<0.01），其次為破碎時間（P<0.05），循環(huán)次數(shù)影響較?。≒>0.05）。
實驗分組
超聲功率（W）
破碎時間（s）
循環(huán)次數(shù)
破碎率（%）
蛋白濃度（μg/mL）
LDH活性（U/L）
最優(yōu)參數(shù)組
500
60
3
98.2±0.5
1286±32
186±12
傳統(tǒng)超聲組
200（接觸式）
60
3
96.8±0.8
1154±28
162±10
低功率組（300 W）
300
60
3
82.3±1.2
892±25
105±8
高功率組（800 W）
800
60
3
97.5±0.6
1258±30
178±11
500 W/60 s/3次循環(huán)為大腸桿菌破碎最優(yōu)參數(shù)，破碎率達98.2%，蛋白濃度及LDH活性均顯著高于傳統(tǒng)超聲組（P<0.05）；800 W高功率下破碎率接近最優(yōu)組，但蛋白濃度略低，推測可能因局部產(chǎn)熱導致蛋白變性。

5.2 釀酒酵母破碎實驗結(jié)果

釀酒酵母細胞壁含厚實的葡聚糖和甘露聚糖，破碎難度顯著高于大腸桿菌。實驗結(jié)果顯示，循環(huán)次數(shù)對破碎效果影響最大（P<0.01），需通過多次循環(huán)實現(xiàn)充分破碎。
實驗分組
超聲功率（W）
破碎時間（s）
循環(huán)次數(shù)
破碎率（%）
蛋白濃度（μg/mL）
LDH活性（U/L）
最優(yōu)參數(shù)組
800
120
5
92.5±0.7
986±26
142±9
傳統(tǒng)超聲組
200（接觸式）
120
5
85.3±1.0
768±22
108±7
少循環(huán)組（1次）
800
120
1
58.6±1.5
524±18
65±6
中功率組（500 W）
500
120
5
76.8±1.1
722±20
98±8
800 W/120 s/5次循環(huán)為釀酒酵母破碎最優(yōu)參數(shù)，破碎率達92.5%，較傳統(tǒng)超聲組提升8.4%；低功率或少循環(huán)均無法實現(xiàn)充分破碎，表明高功率與多次循環(huán)結(jié)合是突破酵母細胞壁屏障的關鍵。

5.3 HeLa細胞破碎實驗結(jié)果

HeLa細胞無細胞壁，僅含細胞膜，破碎難度最低，但對機械力和溫度敏感，易導致胞內(nèi)蛋白失活。實驗結(jié)果顯示，破碎時間是核心影響因素（P<0.01），需控制時間避免過度破碎。
實驗分組
超聲功率（W）
破碎時間（s）
循環(huán)次數(shù)
破碎率（%）
蛋白濃度（μg/mL）
LDH活性（U/L）
最優(yōu)參數(shù)組
300
30
3
99.1±0.3
1568±35
215±13
傳統(tǒng)超聲組
200（接觸式）
30
3
97.5±0.5
1326±30
182±11
長時間組（120 s）
300
120
3
99.3±0.2
1482±28
198±10
高功率組（800 W）
800
30
3
99.2±0.2
1425±32
176±9
300 W/30 s/3次循環(huán)為HeLa細胞破碎最優(yōu)參數(shù)，破碎率達99.1%，蛋白濃度和LDH活性均最高；高功率（800 W）雖破碎率略高，但蛋白濃度和LDH活性下降，證實過度超聲會導致胞內(nèi)活性物質(zhì)失活；傳統(tǒng)超聲組因接觸污染，樣本間CV值（4.2%）顯著高于SCIENTZ08-II組（1.8%）。

5.4 儀器核心性能對比

性能指標
SCIENTZ08-II（非接觸式）
傳統(tǒng)超聲破碎儀（接觸式）
樣本交叉污染率
0%
15%-20%（吸頭殘留）
破碎后樣本溫度（℃）
3.2±0.3
8.5±0.5
樣本間CV值（%）
1.5-2.2
3.8-4.5
單次處理樣本量
1-24個（高通量）
1個（低通量）
SCIENTZ08-II憑借非接觸設計實現(xiàn)零交叉污染，控溫系統(tǒng)使樣本溫度維持在4℃以下，有效保護活性物質(zhì)；高通量特性可同時處理24個樣本，效率較傳統(tǒng)儀器提升20倍以上，且樣本間重復性更優(yōu)。

六、方案優(yōu)化建議與應用拓展

6.1 各細胞類型最優(yōu)參數(shù)總結(jié)

  • 大腸桿菌（原核細菌）：超聲功率500 W，破碎時間60 s，循環(huán)次數(shù)3次，兼顧效率與蛋白活性；
  • 釀酒酵母（真核微生物）：超聲功率800 W，破碎時間120 s，循環(huán)次數(shù)5次，高功率多次循環(huán)突破細胞壁；
  • HeLa細胞（哺乳動物細胞）：超聲功率300 W，破碎時間30 s，循環(huán)次數(shù)3次，低功率短時間避免活性物質(zhì)失活；
  • 通用建議：破碎敏感樣本時，可在樣品槽內(nèi)加入冰浴介質(zhì)（如冰水混合物），進一步降低溫度；處理高濃度細胞樣本時，適當延長破碎時間或增加循環(huán)次數(shù)。

6.2 應用拓展方向

結(jié)合SCIENTZ08-II的性能優(yōu)勢，可拓展至以下領域：① 生物制藥中重組蛋白的大規(guī)模提?。ㄈ绱竽c桿菌表達的胰島素前體）；② 微生物代謝組學研究，高效獲取胞內(nèi)代謝物；③ 臨床診斷中循環(huán)腫瘤細胞（CTC）的破碎與核酸提取；④ 農(nóng)業(yè)領域中植物細胞的破碎，用于提取葉綠素、花青素等活性成分；⑤ 食品工業(yè)中益生菌的破碎，制備益生菌粉及活性肽。

七、結(jié)論

新芝非接觸式細胞粉碎機SCIENTZ08-II通過靈活的參數(shù)調(diào)控，可適配不同結(jié)構類型細胞的破碎需求，針對大腸桿菌、釀酒酵母、HeLa細胞分別篩選出最優(yōu)參數(shù)組合，破碎率均超過92%，胞內(nèi)蛋白濃度及LDH活性顯著高于傳統(tǒng)接觸式超聲破碎儀。其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在：零交叉污染保障樣本純度，低溫控溫系統(tǒng)保護胞內(nèi)活性物質(zhì)，高通量特性提升實驗效率，高重復性確保結(jié)果可靠。該儀器為生物樣本破碎提供了標準化、高效化的解決方案，在生物制藥、基礎科研、臨床檢測等領域具有廣闊的應用前景，可有效推動胞內(nèi)活性物質(zhì)研究與開發(fā)的進程。

 

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