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發(fā)了一種高通量的單細胞微流控芯片，并結(jié)合載酶金屬有機框架，用于實時無損監(jiān)測單細胞內(nèi)外的代謝物濃度。同時基于癌細胞特有的有氧糖酵解代謝特性，該平臺實現(xiàn)了高效的癌細胞識別及其遠端成瘤能力評估。

超過90%的癌癥相關(guān)死亡是由腫瘤轉(zhuǎn)移引起的。轉(zhuǎn)移是一個復(fù)雜的過程，包括原發(fā)腫瘤細胞的脫落、內(nèi)滲進入循環(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。事實上，只有<0.1%的循環(huán)腫瘤細胞最終定殖成功。研究表明，癌細胞的“瓦博格效應(yīng)”在腫瘤的定殖中起著關(guān)鍵作用，因為癌細胞分泌的大量乳酸有助于免疫逃避、細胞遷移和血管形成等，從而促進繼發(fā)性腫瘤的發(fā)展。因此，在單細胞層面實現(xiàn)癌細胞的“糖代謝”特征分析，對于評估癌細胞遠端成瘤能力具有重要意義。

圖1 基于微流控芯片的單細胞乳酸代謝分析

為此，研究團隊設(shè)計了一種陣列微流控芯片，實現(xiàn)了>99%的單細胞捕獲效率，并借助氟化液構(gòu)建了無交叉污染的單細胞微環(huán)境，用于模擬外滲過程中的腫瘤微環(huán)境。進一步利用負載葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶的金屬有機框架及相應(yīng)熒光探針，實現(xiàn)了細胞內(nèi)、外代謝物濃度的半定量可視化分析，進而評估單細胞成瘤能力。

圖2 微流控芯片上單細胞微環(huán)境的構(gòu)建

基于該平臺，研究團隊分析了正常乳腺上皮細胞MCF-10A，弱轉(zhuǎn)移能力的乳腺癌細胞MCF-7，強轉(zhuǎn)移能力的乳腺癌細胞MDA-MB-231，以及乳酸抑制藥物處理過的乳腺癌細胞的“糖代謝”特征。芯片上的大規(guī)模統(tǒng)計分析結(jié)果與小鼠尾靜脈轉(zhuǎn)移瘤模型一致，驗證了該平臺用于癌細胞代謝分析及成瘤能力評估的可行性。

圖3 不同細胞成瘤能力的分析

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

圖4 全血樣本中癌細胞的檢測分析

總之，該高通量微流控平臺在單細胞無損檢測和長期監(jiān)測方面具有巨大潛力。不僅可以用于臨床稀有細胞的代謝分析，還可以實現(xiàn)單細胞層面的藥效評估，對于精準(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)檢驗科主任何幫順為本論文的共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金等項目的資助。

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