第一章 序論
1.2 研究動機與目的
1.2.1 利用超靈敏矽奈米線場效應電晶體偵測 PC12 細胞釋放之多巴胺
巴胺
多巴胺 (Dopamine，簡稱 DA)，全名為 2-(3,4-dihydroxyphenyl)ethylamine 是 一種結構簡單的有機化學分子，屬於單胺類 (monoamine) 物質中的兒茶酚胺類 (catecholamine)，其化學結構為一個胺基 (amine group) 藉由碳鏈連接到兒茶酚 (catechol) 分子上 (圖 1- 5)。
為主，然而 DA 的氧化電位與存在於尿液、血液以及中樞神經系統中的其他物 (multiple-parallel-connected) 矽奈米線場效應電晶體，簡稱為 MPC SiNW-FET，
相較於單一通道之 SiNW-FET，MPC SiNW-FET 具有較高的靈敏度和較好的訊 雜比 (signal-to-noise ratio)，有助於偵測帶電荷少的小分子。
我們從文獻中，挑選出一個可選擇性與 DA 結合之去氧核醣核酸適體 (DNA-aptamer)[35, 36]，我們簡稱之 DA-specific aptamer (圖 1- 6)。以共價鍵將 其 固 定 在 MPC SiNW-FET 的 SiNW 表 面 上 ( 簡 稱 為 DA-specific aptamer/SiNW-FET)。DA-specific aptamer 為單股的 DNA，由 57 個核苷酸所 組成，序列為 5’-GTCTCTGTGTGCGCCAGAGAACACTGGGGCAGATATGGGC CAGCACAGAATGAGGCCC-3’，此序列一開始為 Mannironi 等人利用 SELEX (Systematic evolution of ligands by exponential enrichment) 技術從一個大量、隨機 序列的 RNA 母體 (1014~1015) 中篩選而出[36]，後來 Walsh 與 DeRosa 將 RNA aptamer 轉換成 DNA 的形式，也就是以胸腺嘧啶 (Thymine, T) 取代尿嘧
啶 (Uracil, U)，並且證明轉換後的 DNA aptamer 亦同樣具有與 DA 選擇性結 合的功能[35]。被篩選出來的 DNA aptamer 會形成特定的結構，具有高度親合 力 (affinity) 與選擇性 (selectivity)，能與目標分子結合形成複合物 (complex)，
其與 DA 之間主要的作用力為氫鍵。相較於常被使用作為受體的蛋白質 (例如：
鄰苯二酚 (catechol, CT) 和苯乙胺 (phenethylamine, PEA) 的結構與 DA 相似；
酪 胺 酸 (tyrosine, TR) 為生物體合成 DA 的前驅物 (precursor)；腎上腺素 (epinephrine, EP) 以及正腎上腺素 (norepinephrine, NE) 與 DA 同屬於兒茶酚胺 類，兩者皆是人體中重要的神經傳導物質。我們期望建立一個具有高偵測靈敏度 和選擇性佳的多巴胺感測器，並進一步應用在細胞釋放 DA 之研究上。
對哺乳動物的細胞而言，足夠的氧氣是生存的必要條件，當環境中的氧氣不 足時，細胞為了能夠忍受缺氧 (hypoxia) 的環境而產生反應，例如神經細胞會釋 放神經傳導物質。PC12 細胞株來源於大鼠腎上腺髓質 (rat adrenal medulla) 的嗜 鉻細胞瘤 (pheochromocytoma)，其主要合成 DA 和 NE，在一些藥物的刺激下 會釋放出它們，其可經由神經生長因子 (nerve growth factor) 誘導分化為類神經 細胞，是常用於神經科學相關研究的體外模型。PC12 細胞在缺氧刺激下，會經 由胞吐作用 (exocytosis) 釋放出 DA，在這過程中牽涉到細胞內鈣離子濃度的上
升[37]。然而，在缺氧刺激使 PC12 細胞釋放 DA 的機制中 (圖 1- 7)，細胞內 鈣離子濃度的上升究竟是由於細胞外的鈣離子流入細胞內[38]，還是儲存在細胞 內胞器的鈣離子釋放出來所造成[39]，這部分的說法仍然是具有爭議性的。因此，
我們將利用 DA-specific aptamer/SiNW-FET 即時偵測缺氧刺激後的 PC12 細胞 釋放之 DA，並且試著去解答細胞內鈣離子的濃度上升是由哪個途徑所造成的。
Material Surface modification
Linear working range (M)
Detection limit (M)
Ref.
Glassy carbon
TNT 10-7 – 10-5 10-7 [40]PET
Au nanowires 10-7 – 10-4 10-8 [41]Carbon fiber
Tyrosinase 10-8 – 10-4 10-9 [42]ITO
CNT 10-8 – 10-6 10-8 [43]Graphene
Porphyrin 10-8 – 10-5 10-8 [44]表 1- 1 比較不同的電化學多巴胺感測器之偵測極限。TNT：titanate nanotubes；
PET：polyethylene terephthalate；ITO：indium tin oxide；CNT：carbon nanotube。
圖 1- 6 DA-specific aptamer 的結構示意圖。DA-specific aptamer 的結構包含兩個 主要的stem-loop domains (Domain A 與 Domain B)，有 5 個核苷酸是與多巴胺結 合的位置，其中2 個核苷酸在 Domain A，3 個在 Domain B。兩個 loop 因為鹼基 配對而有交互作用，以藍色虛線表示。
圖 1- 7 在缺氧刺激下細胞釋放多巴胺之機制示意圖。在細胞釋放多巴胺的機制中，
細胞內鈣離子濃度的上升的原因，被推論為是由細胞外鈣離子流入 (實線箭頭)，
或是收集儲存於胞器內的鈣離子 (虛線箭頭)。MC: 粒線體; ER: 內質網。