单细胞分析的研究_程介克

图 2 单细胞及细胞群体分析的差异 F ig. 2 The d ifference of s ing le-cell and
popu lation-cell analysis a. T his is due to population hete rogeneity that m ay manifest itse lf in bim oda l (and other non-norm al) distr ibutions; b. B imodal population distr ibutions m ay occur because of fast changes in indiv idual cells from one state to another, w hich va ry in tim e.
纳米直径的单囊泡分析 , 监测 PC12细胞中单个活
囊泡释放多巴胺[ 10] 。 金文睿研究 组对毛细管电泳 电化学检测单细胞中的组分进行了一系列研究 。 最 近他们采用氢醌及过氧化氩作酶催化反应底物 , 用 微池双电极伏安法测量单个中性白细胞及急性白血 病细胞中过氧化酶的活性 [ 11] 。随 后又报道高通量 检测单细胞中过氧化酶的新方法 , 连续检测速度高 于 1个细胞 /m in[ 12] 。 他们 [ 13] 还在毛细管柱中使乳 酸脱氢酶 (LDH)与烟酰胺腺 嘌呤 (NAD +)产生酶 催化反应 , 生成电活性的 NADH, 从而可以间接地采 用电化学方法检测 LDH。 他们还 用毛细管电泳电 化学检测法测定了单个鼠神经胶质细胞瘤中的 3种 乳酸脱氢同工酶 。
图 1 细胞输入及输出响应的机理 F ig. 1 M echan ism for cell input-ou tput respon se
The inpu ts are env ironmenta l cues, such as cy tokines, E CM, shear stress, and tem perature. T he output is biochem ica l behavior, such as m ovem ent, secretion, endocy tosis, differentiation, d iv ision, and apoptosis. T ransduc tion of inputs to outputs requires netw orks of chem ica l reactions, loca lized in space and time.
成为不治之症 。 如分析单细 胞中乳酸脱氢 酶的变 化 , 就有可能早期诊断癌症 [ 2] 。 1988年 , Ew ing首次采用毛细管电泳 (CE)分
析单细胞 。 由于 CE 柱的内径与细胞大小相当 , 适 于单细胞分析 , 因 而获得蓬勃发 展 , 已广泛 应用于
蛋白质分析 、神经科学 、肿瘤学等领域 。近年来 , 单细
胞分析的方法学已从 CE发展到微流控芯片 , 多种 光学 、扫描电化学 、原子力 、扫描隧道显微镜等图像 分析 , 质谱分析 , 动力学分析 , 各种新颖的荧光探针 、 纳米量子点及纳米技术的应用 , 细胞外活体分析等 , 使单细胞分析呈现五彩缤纷 、光辉灿烂的前景 。 国内对于单细胞分析的研究虽起步稍晚 , 但已 涉及单细胞分析中的多种方法学 , 2005年出版的国 内外第一部单细胞分析专著 [ 2] , 反映了我国在单细
单细胞分析是分析化学 、生物学和医学之间渗 透发展形成的跨学科前沿领域 。细胞是生命活动的 基本单位 , 为了掌握生命过程的规律 , 必须以研究细 胞为基础 , 深入探索细胞的行为 。 Lee等 [ 1] 对细胞 的输入及输出响应机理进行了研究 (见图 1)。 进行 单细胞分析研究就是进行细胞的生长与分化 、代谢 与繁殖 、运动与联络 、衰老与死亡 、遗传与进化等生 命过程中的分析化学研究 。 细胞极小 (直径 8 ～ 15 μm ), 样品量很少 (pL ～ fL), 被测组分含量很低 (fm o l ～ zm o l)。 因此 , 长期 以来由于检测方法的灵敏度不够 , 只能进行细胞群 体分析 , 从中获得细胞中的化学信息 。 通过细胞群
1 毛细管电泳
毛细管电泳用于单细胞分析的方法学研究的高 潮似已过去 , 近两年发表的文献主要是在应用领域 。 这和 CE发展的总趋势是一致的 。如国际毛细管电 泳会 议 现 已 改 称为 “国 际微 量 生 物 分 离 会议 ”。 Ew ing等对 CE 分析单个哺乳类细胞 [ 4] 及 CE 在神 经科学中的应用最新进展 [ 5] 的评述 , 反映了单细胞 分析向脑化学研究发展的趋势 , 如微透析取样 , CE 分析脑细胞外流体 , 监测脑神经递质变化 , 在生物医 学领域具有重要意义 。 1. 1 电化学检测 毛细管电泳电化学检测是最早用于单细胞分析 的方法 。 我们研究组为了减小电泳高电压对电化学 检测的严重 干扰 , 设计出 一个 新颖 的刻 蚀多孔 接 口[ 6] , 用这个接口可不必折断毛 细管 , 因而 不会产 生死体积 。这一接口已被推广应用到 CE-电致化学 发光 、质谱 、二维毛细管电泳 、在线富集等领域 。 在 微电极的研究方面 , Ew ing曾提出用火焰刻蚀法制
收稿日期 :2007-01-06 通讯联系人 :程介克 , 男 , 教授 , 博士生导师 , E-m ai l:jkcheng@w hu. edu. cn. 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (N o. 20299034, N o. 20405012, N o. 20676060).
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色
谱
第 25卷
Stud ies on S ing le-C ell Analysis
CHENG J ieke, HUANG W eihua, WANG Zongli
(C enter of Ana lysis and Test, W uhan Un iversity, W uhan 430072, China)
A bstract:T he sing le-ce ll analysis is a frontier fie ld o f sciences that has been developed from the in terd iscip linary collaborations o f analytical chem istry, b iology and m ed icine. A t the present tim e, the great ach ievem en ts in the app lication o f cap illary electropho res is and m icroflu id ic ch ip to sing le-cell analys is, particu larly, in the app lication o fm icro flu id ic ch ip to cu ltu re, m an ipu lation, location, separation and detection o f com ponen ts o f single cells, real-tim e detection of secretion from single-cells and h igh-th roughpu t array detection have been m ade. The un it procedures can be m ade up in any device in accordance w ith the requ irem en ts. In th is paper, the work of the au thor’ s group is presen ted m ain ly. In add ition, the developm ents of the capillary electrophoresis and ch ip electrophoresis applied to sing le-cell analysis in recent years are reviewed. The prospects for single-cell analysis includ ing cap illary electrophoresis and m icroflu id ic ch ip, m easurem en t and con tro l at the cell-ch ip in terface, and quan tum do ts fo r probing live cells are also p roposed. K ey words:s ingle-cell analysis;cap illary electrophores is;m icro flu id ic ch ip
2007年 1月 January 2007
色
谱
Ch inese Journa l of Chrom atography
Vo .l 25 N o. 1 1 ～ 10
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
单细胞分析的研究
程介克 , 黄卫华 , 王宗礼
(武汉大学分析科学研究中 心 , 湖北 武汉 430072)
摘要 :单细胞分析是分析化学 、生 物学和医学之间渗透发展形成的跨学科前沿领域 。 近年来 , 毛细管电 泳及微流控 芯片用于单细胞分析已 取得显著进展 , 特别表现在微流控芯片用于细胞的培 养 、分 选 、操纵 、定位 、分离 及检测细胞 的组分 , 实时监测细胞释放 , 及高 通量阵列检测等方面 。 芯片的单元操作可根据需要 灵活组合 , 显示出 其独特的优 点 。 本文重点介绍作者研究组的工作 , 并对近三年来国内外在毛细管电泳及芯片 毛细管电泳 用于单细 胞分析的新 进展进行评论 。 最后从毛细管电 泳与微流控芯片 、微流 控芯片 与细胞界 面以及 量子点 用于探 测活细 胞等方 面 , 展 望了单细胞分析的发展 前景 。 关键词 :单细胞分析 ;毛细管电泳 ;微流控芯片 中图分类号 :O658 文 献标识码 :A 文章编号 :1000-8713(2007)01-0001-10 栏目类别 :专论与综述
体分析获得的统计平均结果 , 掩盖了单个细胞之间 的差异[ 1] (见图 2), 使生物学及医学等很多领域的 发展受到限制 。众所周知 , 医学上早期诊断癌症 , 将 会挽救无数人的生命 。 目前诊断癌症往往依赖于生
物组织出现肿瘤 , 但这时通常已是癌症晚期 。 若在 细胞水平发现癌细胞 , 进行早期治疗 , 将使癌症不再
得神经递质多巴胺的检测限提高了 1 个数量级 , 达 到 10-9 m o l /L。这些 研究为开展单 细胞分析奠定 了基础 。如用研制的碳纤维微米电极 , 采用毛细管
电泳电化学检测单个 PC12细胞中的神经递质多巴 胺 ;用碳纤维纳米电极时空分辨监测单个 PC12 细 胞中的多巴胺量子释 放[ 9] 。 首次用 纳米电极开展
第 1期
程介克 , 等 :单细胞分析的研究
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取纳米电极 , 但未获得成功 。我们经长期探索 , 用火
焰刻蚀法成功地研制出低噪声 、高灵敏的碳纤维微
米电 极 (CFM E) (8 μm )及 碳 纤 维 纳 米 电 极 (CFNE)(100 nm )[ 7] (见 图 3)。 为 了提高检测灵 敏度 , 我们用纳米碳管修 饰碳纤维纳米电 极[ 8] , 使
胞分析方面的研究成果及单细胞分析在国内外的最 新发展 。 这部专著在单细胞分析方面是目前仅有的 一本参考书 。 本文重点介绍我们研究组在单细胞分析方面的 研究及近三年国内外用毛细管电泳 、微流控芯片进 行单细胞分析的新发展 。 2004年以来 , 在单细胞分 析方面的综述有我们研究组 [ 3] 撰写的 “单细胞分析 新发展 ”, 该文对单细胞的 操纵 、毛细管电泳分 析 、 成像观测 、实时动态监测及各种方法的应用进行了 全面综述 。 C arlo和 Lee[ 1] 撰写的 “单细胞动力学分 析用于生物学 ”, 介绍了高通量单细胞分析法 (流体 细胞法 、激光 扫描流体细胞法 、自动化显 微镜 )、微 流控技术 、阵列技术 、分离技术等在生物学方面的应 用 , 对开展单细胞分析有极好的参考价值 。