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2016916日,化学领域国际顶级期刊德国《应用化学》在线发表了我室刘震教授研究团队提交的题为“Probinglow-copy-number proteins in a single living cell”的论文(Angew. Chem. Int. Ed.,2016, DOI: 10.1002/anie.201608237)。

单细胞分析技术是揭示细胞的行为、功能及微观不均一性的核心工具。低拷贝数蛋白质(单个细胞中含量低于1000个分子的蛋白质)在细胞信号和基因表达调控等细胞功能中起到重要的作用。尽管已有多个单细胞技术(如毛细管电泳、质谱和微流控芯片等)用于分析单细胞内蛋白质的表达,但由于灵敏度低的原因这些方法通常仅适用于高表达的蛋白质。另一方面,单细胞活体分析在发育生物学和细胞质量控制分析等方面具有重要意义。但是,很多单细胞分析技术需要向细胞内引入标记试剂,改变了细胞内的化学组成。该研究团队提出了基于活体微萃取和表面等离激元光学检测相结合的,称为表面等离激元免疫夹心法(PISA的新颖方法,可以检测单个活细胞和活体动物中的低拷贝数蛋白。该方法的原理为,将表面修饰了单克隆抗体或分子印迹聚合物的金基微萃取探针在显微操作平台的辅助下插入到单细胞中,在很短的时间内将特定的目标蛋白质专一高效地萃取到探针表面,微萃取探针拔出并经清洗后用修饰了能识别目标蛋白质的抗体或硼亲和配基的银基纳米拉曼探针标记,从而形成萃取探针-目标蛋白质-拉曼标签三明治型复合物结构,当用激光束照射以上三明治型复合物表面时发生表面等离激元光学效应,银基拉曼标签产生表面增强拉曼散射,金基微萃取探针产生表面等离子波则进一步增强银基拉曼标签的表面增强拉曼散射信号,从而大大增强检测灵敏度,检测限可达单分子水平。微萃取的尺寸极小,活体萃取过程对细胞的损伤很小,萃取后细胞仍存活。利用该方法,实验揭示,碱性磷酸酶和survivin在正常细胞内不表达或有限表达,而在癌细胞中为高表达;而且,癌细胞过度的传代会导致survivin的表达降低。此外,该研究团队还将该分析技术赋予了中国文化元素,利用针灸针制备出微萃取探针,用于活体动物组织内的低拷贝数蛋白质的测定。该单细胞分析技术在癌症诊断与预后、细胞质量控制、发育生物学、干细胞研究及脑科学等多个领域中具有重要的应用前景。

该论文的第一作者为博士生刘佳同学。在研究工作中,该团队前期建立起的分子印迹技术(Angew.Chem. Int. Ed.,2013, 52, 7451-7454;2014, 53, 10386-10389; 2015, 54, 10211-10215; Chem. Sci.,2014, 2014, 5, 1135-1140)经受住了挑战性任务的考验。陈洪渊院士课题组为该研究工作提供了重要的技术支持。该研究得到国家杰出青年科学基金、国家重大科研仪器研制项目和国家重大科学研究计划的经费支持。



1.表面等离激元免疫夹心法的单细胞分析原理示意图

2.单细胞活体微萃取示意图(a)、单细胞内碱性磷酸酶的空间分布(b)、单细胞分析结果和细胞裂解液分析结果比较(c)、检测正常肝细胞内6survivin分子所得拉曼信号(d)及不同细胞系中碱性磷酸酶(e)及survivinf)的分析结果对照

3.基于针灸针萃取探针(a)的表面等离激元免疫夹心法检测种植了不同细胞的小鼠(b)内碱性磷酸酶(c)及survivind