近日，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學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%的癌癥相關死亡是由腫瘤轉(zhuǎn)移引起的。轉(zhuǎn)移是一個復雜的過程，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”在腫瘤的定殖中起著關鍵作用，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現(xiàn)代工程與應用科學學院的宋玉君教授。南京大學副研究員高彥峰、南京理工大學講師王燕萍和南京市第一醫(yī)院醫(yī)學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基金、國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學基金等項目的資助。

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