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近日,陈洪渊院士团队在单细胞分子动态分析系统研究中取得重要进展。相关成果Nanokit for single-cell electrochemical analyses发表在国际顶级期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of theNational Academy of Sciences, PNAS)。文章链接为http://www.pnas.org/content/early/2016/09/23/1609618113.full

细胞是组成生命体的基本单元,揭示生命的奥秘必须从细胞着手。细胞中存在各组分间的相互作用、电子转移、能量转移和物质输运,像一个小宇宙。鉴于细胞自身的复杂性及彼此之间存在巨大差异,研究细胞群体往往会掩盖多种特征,因此需要在单细胞层面了解细胞特征以及彼此之间的信息传递。目前单细胞分析系统主要是以荧光分析为核心组建。所使用的荧光探针虽具有较强的识别和定位能力,但需要根据目标分子进行精巧设计和合成;且较难提供蛋白的化学活性等分子信息。鉴于这些技术挑战,2012年陈洪渊院士团队提出发展基于电化学分析、结合光学和质谱分析的全新单细胞时空分辨分子动态分析系统,并于次年获得基金委重大科研仪器研制项目支持。在此指导思想下,团队成员江德臣副教授研究小组设计完成了一种新型的单细胞电化学分析模块,利用经典电泳现象将飞升量级(10-15L,相当于一滴水的十亿分之一体积)的生物分析试剂盒成分导入到单个细胞中,构建单细胞试剂盒;通过电化学分析反应产物,实现了对单细胞中小分子及蛋白化学活性的分析,拓展了单细胞分析的内容。

图: 基于“单细胞试剂盒”的单细胞电化学分析方法

该仪器模块中包含一根100nm开口的玻璃毛细管、电泳单元和电分析单元。毛细管尺寸远小于单个哺乳细胞的尺寸,因此可最大程度的降低其扎入细胞进行检测时对细胞自身活性的干扰。毛细管尖端加工有纳米环状电极进行电化学分析;而毛细管内部包含用于细胞分析的试剂盒成分及一根金属丝连接电泳单元。在探针扎入细胞后,通过管内金属丝产生的电泳现象,将飞升量的试剂盒成分推入细胞中;与目标分子和蛋白发生化学反应,产生电活性的H2O2分子;通过其在纳米环状电极表面电氧化产生的电子数,定量获取小分子(如葡萄糖)及蛋白活性(如神经鞘磷脂酶)信息。这种检测策略利用开发成熟的针对细胞群体研究的生物检测试剂盒用于单细胞分析,打破了细胞分析及单细胞分析之间的壁垒;并结合对细胞无标记的电化学分析方法,降低了单细胞检测的难度。团队在此基础上,正继续耦合开发成功的单细胞光学和质谱分析模块,从而实现系统在单细胞时空分辨分析中新的突破。

我室2014级化学化工学院硕士生潘荣容为本文第一作者,江德臣副教授为通讯作者。本项目受到基金委重大科研仪器研制项目和973项目支持。