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青島能源所發明拉曼激活單細胞液滴分選技術

單個細胞是地球上細胞生命體功能和進化的基本單元。單細胞精度的高通量功能分選是解析生命體系異質性機制、探索自然界微生物暗物質的重要工具。單細胞拉曼光譜(SCRS)能夠在無標記、無損的前提下揭示細胞固有的化學組成,因此拉曼激活細胞分選技術(RACS)日益受到廣泛關注。但是分選通量是當前限制其廣泛應用的最重要的瓶頸之一。據此,青島能源所單細胞中心馬波研究員與徐健研究員帶領的多學科交叉團隊通過耦合SCRS和液滴微流控技術,發明了拉曼激活單細胞液滴分選技術(Raman-activated single-cell Droplet Sorting; RADS),這是目前已公開報道的工作中分選通量最高的RACS系統。該工作於11月3號在線發表於Analytical Chemistry。

單細胞中心前期發明了基於微流控芯片的流式RACS技術(Zhang, et al, Analytical Chemistry, 2015),通過集成基於介電的單細胞捕獲釋放和電磁閥吸吮技術,實現了高速流動狀態下單細胞的捕獲、拉曼採集、釋放和分選,通量達~60 個細胞/分鐘。爲了進一步提高通量,研究人員提出,單細胞經液滴包裹後,通過耦合介電可實現超高通量分選。液滴包裹不僅可以保護細胞免受分選過程中的損傷,還能夠與分選後細胞的培養、DNA、RNA、蛋白等的提取與分析等無縫銜接。因此,RADS技術有着廣闊應用前景。

然而,在RADS技術中存在諸多技術難題。首先,液滴表面凸/凹的形狀會產生透鏡效應,從而影響拉曼激光聚焦,降低空間分辨率,最終導致無法獲取液滴中細胞的拉曼信號。其次,單細胞液滴包裹需要油相的引入,而油相具有強拉曼背景,會嚴重影響細胞拉曼信號的精確獲取。第三,如何實現拉曼採集、分析、單細胞液滴包裹及分選的自動化集成未見先例。單細胞中心研究人員巧妙利用先獲取單細胞拉曼信號,後進行單細胞液滴包裹的策略,有效解決了液滴對拉曼信號採集的影響;同時,在線集成液滴發生和分選同步進行,大大簡化了系統操作步驟;最後,通過自主開發的軟件,實現了拉曼採集、分析、單細胞液滴包裹及分選的高度自動化。該系統實現了高產蝦青素之雨生紅球藻的精確化(分選準確率高達98.3%)、高通量(260 細胞/分鐘)篩選。研究人員還證明,分選後有92.7%的雨生紅球藻細胞保持活性並可增殖,和未經分選的對照組相比沒有顯著性差異,說明RADS技術充分保護了細胞的活性。

單細胞中心前期已證明,基於單細胞拉曼成像的拉曼組(Ramanome)技術能夠非標記、非破壞性地識別與分析幾近無限的細胞功能。與拉曼組技術相耦合的RADS將能夠高通量分選廣泛的細胞功能,從而允許下游特定功能單細胞的培養或組學分析。這一工作爲研製高度通量化與集成化的單細胞拉曼分選與測序系統奠定了基礎。

論文共同一作是青島能源所單細胞中心的王喜先與任立輝。本工作得到了中科院武漢水生所胡強研究員、北京大學王瑋教授等的幫助,並得到了中科院儀器專項、國家自然科學基金、中國博士後科學基金和山東省自然科學基金等的支持。


圖1 拉曼激活單細胞液滴分選(RADS)系統示意圖