近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院宋玉君教授課題組開(kāi)發(fā)了一種高通量的單細(xì)胞微流控芯片，并結(jié)合載酶金屬有機(jī)框架，用于實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)單細(xì)胞內(nèi)外的代謝物濃度。同時(shí)基于癌細(xì)胞特有的有氧糖酵解代謝特性，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高效的癌細(xì)胞識(shí)別及其遠(yuǎn)端成瘤能力評(píng)估。

超過(guò)90%的癌癥相關(guān)死亡是由腫瘤轉(zhuǎn)移引起的。轉(zhuǎn)移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括原發(fā)腫瘤細(xì)胞的脫落、內(nèi)滲進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)、在循環(huán)系統(tǒng)中遷移、外滲到靶器官以及定植形成微轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，只有<0.1%的循環(huán)腫瘤細(xì)胞最終定殖成功。研究表明，癌細(xì)胞的“瓦博格效應(yīng)”在腫瘤的定殖中起著關(guān)鍵作用，因?yàn)榘┘?xì)胞分泌的大量乳酸有助于免疫逃避、細(xì)胞遷移和血管形成等，從而促進(jìn)繼發(fā)性腫瘤的發(fā)展。因此，在單細(xì)胞層面實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的“糖代謝”特征分析，對(duì)于評(píng)估癌細(xì)胞遠(yuǎn)端成瘤能力具有重要意義。

圖1 基于微流控芯片的單細(xì)胞乳酸代謝分析

為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種陣列微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了>99%的單細(xì)胞捕獲效率，并借助氟化液構(gòu)建了無(wú)交叉污染的單細(xì)胞微環(huán)境，用于模擬外滲過(guò)程中的腫瘤微環(huán)境。進(jìn)一步利用負(fù)載葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶的金屬有機(jī)框架及相應(yīng)熒光探針，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)、外代謝物濃度的半定量可視化分析，進(jìn)而評(píng)估單細(xì)胞成瘤能力。

圖2 微流控芯片上單細(xì)胞微環(huán)境的構(gòu)建

基于該平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)分析了正常乳腺上皮細(xì)胞MCF-10A，弱轉(zhuǎn)移能力的乳腺癌細(xì)胞MCF-7，強(qiáng)轉(zhuǎn)移能力的乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231，以及乳酸抑制藥物處理過(guò)的乳腺癌細(xì)胞的“糖代謝”特征。芯片上的大規(guī)模統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與小鼠尾靜脈轉(zhuǎn)移瘤模型一致，驗(yàn)證了該平臺(tái)用于癌細(xì)胞代謝分析及成瘤能力評(píng)估的可行性。

圖3 不同細(xì)胞成瘤能力的分析

此外，該平臺(tái)可直接用于捕獲分析未經(jīng)處理的全血樣本中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞的捕獲率可達(dá)80%以上，根據(jù)單細(xì)胞“糖代謝”特征檢測(cè)腫瘤細(xì)胞的靈敏度高達(dá)95%以上，具有較高的臨床應(yīng)用潛力。

圖4 全血樣本中癌細(xì)胞的檢測(cè)分析

總之，該高通量微流控平臺(tái)在單細(xì)胞無(wú)損檢測(cè)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面具有巨大潛力。不僅可以用于臨床稀有細(xì)胞的代謝分析，還可以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞層面的藥效評(píng)估，對(duì)于精準(zhǔn)醫(yī)療和液體活檢具有重要啟發(fā)。該論文的通訊作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的宋玉君教授。南京大學(xué)副研究員高彥峰、南京理工大學(xué)講師王燕萍和南京市第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)科主任何幫順為本論文的共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

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