微流控流式细胞术和质谱的结合

niwanmao

单细胞分析有助于进一步了解药物抗性机制、肿瘤细胞转移和个性化预后。然而，目前的单细胞分析在通量、多标志物检测、样本保留率和准确性方面仍存在一定挑战。此外，这些分析通常涉及样本准备，如离心或移液，这可能导致细胞丢失或细胞损伤。质谱（MS）技术的进步使得在单细胞分辨率下进行代谢组学和蛋白质组学分析成为可能。微流控芯片与MS的结合可以减小反应体积、减少样本传输步骤、稳定单细胞流并提高检测灵敏度。此外，微流控系统可以在分析单个细胞之前进行样本预处理，例如利用二次流效应实现高通量单细胞分离/排列和水动过滤进行染色/标记。

东北大学理学院Zhang Xuan等人，开发了用于单细胞多重分析的微流控流式细胞术和质谱系统 (μCytoMS)，能够在单细胞水平同时分析药物摄取和诱导的蛋白表达，利用激光诱导荧光 (LIF) 测量蛋白表达和电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 定量药物水平，研究结果发表在2023年2月15日的ACS Nano上（影响因子17.1分）。



从文章结果看，结果相当漂亮：
1、工程化高亲和力生物功能化纳米颗粒 (BioNP) 探针选择性结合癌症生物标志物 PTK7
- 与约3000个 Sgc8 适配子偶联的NPs，结合Kd = 0.23 nM的PTK7（比单价适配子紧密170倍）
- 适配子上的 6-FAM 染料能够 LIF 检测 PTK7 的表达
- AuNP 核心允许 ICP-MS 检测 197Au 以确认细胞结合

2、设计了螺旋微流控芯片，实现超低流量的高通量单细胞比对纯化

- 二次流和流体力学过滤效应聚焦细胞，无需离心
- 芯片能处理500个细胞/分钟，比以前的方法快20倍
- 水平设计与 ICP-MS 无缝连接，实现90%的细胞转移效率

3、根据 PTK7 表达和奥沙利铂摄取实现9种癌细胞系的完全分离
- MCF-7 分析1389个单细胞，HeLa分析1352个单细胞，Ramos分析968个单细胞
- LIF 强度与 qPCR 法测定的 PTK7 RNA 水平相关
- ICP-MS 检测到的 195Pt 水平从 HepG2 中的高到 MCF-7 中的低不等

4、受试者工作特征曲线显示，联合 LIF 和 ICP-MS 数据与任一单独数据相比，准确性提高

5、分析10例乳腺癌患者的循环肿瘤细胞
- 在每50 μL血液样本中检出1-4个CTC，而在5个健康对照中为0

- 测定单个 CTC 中奥沙利铂水平和 PTK7 表达
- 患者特异性变化可指导个性化治疗

6、使用片上纯化，避免了离心
- 常规离心导致5个循环后细胞损失60%
- Chip 的净化器去除100%的 10 nM 纳米颗粒，残留率为0%
- 再生样本的存活率为93%，离心后为82%

7、在更复杂基质（如全血）中分析的样本
- 去除血液中的细胞、囊泡和药物分子，使红细胞压积降低至2.5%

8、集成LIF View Finder，可精确采集单细胞荧光信号
- 可从同一细胞中同时检测 LIF 和 ICP-MS
- 将药物摄取与诱导的蛋白表达相关联的关键

9、达到超低0.043 dyn/cm2剪切应力
- 在排列和取样过程中，将对脆弱细胞的损伤降至最低

可见，这一创新的μCytoMS平台整合了生物工程纳米探针、微流体、双 LIF/ICP-MS 检测和机器学习，在单细胞水平解锁药物机制的多重分析。定量、高通量数据揭示了癌症异质性，并使罕见CTC的质谱分析成为可能，能够为个性化治疗提供丰富的信息。


参考文献：Zhang, Xuan et al. “Multiplex Profiling of Biomarker and Drug Uptake in Single Cells Using Microfluidic Flow Cytometry and Mass Spectrometry.” ACS nano, 10.1021/acsnano.3c12803. 15 Feb. 2024, doi:10.1021/acsnano.3c12803（影响因子17.1分）