【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】單細(xì)胞拉曼光譜(SCRS)能非標(biāo)記、非侵入性、無(wú)損、全景式地揭示細(xì)胞代謝狀態(tài)，因此基于SCRS的活體單細(xì)胞流式檢測(cè)(Raman Flow Cytometry，RFC)，有著廣闊應(yīng)用前景。
近日，青島能源所單細(xì)胞中心和青島星賽生物合作發(fā)明了基于介電誘導(dǎo)確定性側(cè)向位移完成單細(xì)胞聚焦、捕獲/釋放的拉曼流式檢測(cè)技術(shù)pDEP-DLD-RFC，并證明其針對(duì)人體細(xì)胞(腫瘤)、植物(微藻)、酵母和細(xì)菌等多種細(xì)胞類型的廣譜適用性。基于此推出的FlowRACS 3.0儀器，為活體單細(xì)胞代謝表型組的高通量檢測(cè)提供了全新工具。該工作近日發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)。
活體單細(xì)胞代謝表型組的流式檢測(cè)，在微生物資源挖掘、細(xì)胞工廠篩選、酶元件表征、生物過(guò)程監(jiān)控、臨床診療等方面，具有共性的支撐作用。與熒光流式和質(zhì)譜流式等現(xiàn)有流式細(xì)胞檢測(cè)手段相比，拉曼流式具有無(wú)需標(biāo)記細(xì)胞、活體檢測(cè)、信息量豐富等優(yōu)勢(shì)，因此是一種具有廣闊應(yīng)用前景的細(xì)胞分析手段。
但是，高通量拉曼流式技術(shù)的應(yīng)用受限：首先，如何提高樣品的普適性，以適用于不同細(xì)胞類型與不同表型的檢測(cè)；其次，如何提高檢測(cè)的通量，以實(shí)現(xiàn)高度異質(zhì)性細(xì)胞群體的深度檢測(cè)；最后，如何提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，以支撐高度可靠的儀器使用流程。
針對(duì)上述問(wèn)題，青島能源所單細(xì)胞中心王喜先、任立輝、刁志鈿、何曰輝等帶領(lǐng)的研究小組發(fā)明了“介電誘導(dǎo)確定性側(cè)向位移實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞聚焦、捕獲/釋放的拉曼流式檢測(cè)技術(shù)”(Positive Dielectrophoresis Induced Deterministic Lateral Displacement-based Raman Flow Cytometry，pDEP-DLD-RFC)。
首先，通過(guò)寬流場(chǎng)高流量的進(jìn)樣策略，有效防止細(xì)胞沉降，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行(>5小時(shí))；其次，通過(guò)介電誘導(dǎo)細(xì)胞確定性側(cè)向位移，實(shí)現(xiàn)寬場(chǎng)中細(xì)胞高效聚焦地流經(jīng)檢測(cè)位點(diǎn)，從而保證了拉曼檢測(cè)效率；最后，通過(guò)施加檢測(cè)時(shí)間依賴的周期性介電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的快速捕獲/釋放，以滿足各種不同代謝表型的普適性、高通量檢測(cè)。
基于上述關(guān)鍵技術(shù)突破，研究小組研制成功兼具廣譜通用性、高通量、運(yùn)行穩(wěn)定性等性能的高通量拉曼流式檢測(cè)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了一系列應(yīng)用：腫瘤細(xì)胞分類、微藻合成過(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)油酵母多表型監(jiān)控、細(xì)菌藥敏性檢測(cè)。
第一，植物生物制造過(guò)程的代謝監(jiān)控。基于共振拉曼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了雨生紅球藻中蝦青素含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而示范了單細(xì)胞精度的蝦青素累積過(guò)程細(xì)胞工廠代謝狀態(tài)的監(jiān)控，并考察了“高光”和“缺氮”等條件對(duì)細(xì)胞蝦青素累積速度及其同步性的影響。其蝦青素含量檢測(cè)速度達(dá)~2700 events/min，為目前最高的自發(fā)拉曼檢測(cè)/分選通量。
第二，酵母生物制造過(guò)程的代謝監(jiān)控?；诜枪舱窭盘?hào)，示范了油脂酵母中細(xì)胞代謝活力、甘油三脂含量、油脂不飽和度等多個(gè)關(guān)鍵代謝表型的同步動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)而通過(guò)拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)、拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析(Intra-Ramanome Correlation Analysis，IRCA)等算法，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞代謝狀態(tài)(準(zhǔn)確率>96%)的實(shí)時(shí)鑒定，以及細(xì)胞內(nèi)代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)重建。
第三，細(xì)菌藥敏性的流式快檢?；趩渭?xì)胞中心前期提出的重水飼喂單細(xì)胞拉曼藥敏原理，以大腸桿菌和多種常見(jiàn)抗生素為例，開(kāi)發(fā)了流式藥敏快檢技術(shù)，并通過(guò)與拉曼藥物應(yīng)激條形碼(Raman Barcode for Cellular Stress-response，RBCS)、IRCA、拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，證明該流式藥敏快檢技術(shù)還能實(shí)時(shí)地判斷單菌體精度的藥物應(yīng)激狀態(tài)、構(gòu)建細(xì)胞內(nèi)代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)等，從而揭示細(xì)菌-藥物互作機(jī)制。此外，流式檢測(cè)大大提高了藥敏檢測(cè)中SCRS取樣深度，對(duì)于識(shí)別群體中通常占比很低的耐藥細(xì)胞，具有重要的意義。
第四，腫瘤細(xì)胞類型的快速區(qū)分。基于SCRS中信息豐富的指紋區(qū)，以膀胱癌、肺癌、腎細(xì)胞癌、乳腺癌等細(xì)胞株為例，證明流式拉曼技術(shù)耦合拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能以平均>95%的準(zhǔn)確率，完成腫瘤細(xì)胞類型的快速判別。該方法對(duì)于腫瘤細(xì)胞質(zhì)量檢測(cè)等應(yīng)用具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
與轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝物組相比，拉曼組能表征單細(xì)胞精度的底物代謝、產(chǎn)物合成、環(huán)境應(yīng)激性、化合物相互轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵代謝表型，而具廣譜適用、活體、無(wú)損、非標(biāo)記、全景式表型、可分辨復(fù)雜功能、快速、低成本、能耦合下游測(cè)序、質(zhì)譜或培養(yǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此拉曼組是一種更接近于“功能”、更適合于臨床、工業(yè)等場(chǎng)景的單細(xì)胞表型組。為了支撐人體、動(dòng)植物和微生物拉曼組數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與分析，單細(xì)胞中心與星賽生物基于pDEP-DLD-RFC技術(shù)，推出了高通量流式拉曼分析/分選儀FlowRACS 3.0，將大大加速拉曼組平臺(tái)的推廣應(yīng)用。
該工作由單細(xì)胞中心馬波研究員和徐健研究員主持，與青島星賽生物合作完成，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和山東省自然科學(xué)基金委的支持。
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