芯片上的掃描電化學(xué)顯微鏡

近日，北京科技大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)療與健康研究院，生物工程與傳感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)與生物工程學(xué)院的趙亮博士與張美芹研究員，張學(xué)記教授合作在期刊Analytical Chemistry（Nature Index Journal之一）上在線發(fā)表了題為”Systematic Analysis of Different Cell Spheroids with a Microfluidic Device Using Scanning Electrochemical Microscopy and Gene Expression Profiling”的研究論文。該研究工作報(bào)道了一種基于掃描電化學(xué)顯微鏡與微流控技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)性研究異種細(xì)胞團(tuán)塊中細(xì)胞上蛋白活性與基因表達(dá)關(guān)系的新分析方法。

三維細(xì)胞團(tuán)塊是當(dāng)前研究腫瘤生物學(xué)新的有力工具，能夠更好地重構(gòu)體內(nèi)的腫瘤形態(tài)和生理環(huán)境。當(dāng)前對(duì)于細(xì)胞團(tuán)塊的觀測(cè)多是基于傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法，往往需要對(duì)細(xì)胞團(tuán)簇進(jìn)行熒光標(biāo)記甚至切片成像等。掃面電化學(xué)顯微鏡（SECM）作為一種非光學(xué)無標(biāo)記成像的技術(shù)正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。當(dāng)前掃描電化學(xué)顯微鏡對(duì)于細(xì)胞團(tuán)的表征往往表現(xiàn)為針對(duì)少量同種團(tuán)塊，單線掃描，難以采集和獲取電化學(xué)信號(hào)之外的細(xì)胞內(nèi)部基因表達(dá)的信息。

針對(duì)上述當(dāng)前研究中的限制，該研究利用可打開的微流控芯片技術(shù)手段，將腫瘤和體細(xì)胞團(tuán)塊的培養(yǎng)集成在一塊芯片上（85 x 4培養(yǎng)單元）。芯片開放后利用SECM對(duì)不同細(xì)胞團(tuán)塊掃描成像，后續(xù)可以精準(zhǔn)地挑取單個(gè)細(xì)胞團(tuán)塊進(jìn)行多基因表達(dá)分析。SECM成像結(jié)果表明，利用雙模態(tài)多次掃描可以有效地消除底面形貌對(duì)團(tuán)塊電化學(xué)信號(hào)的影響，在乳腺癌（MCF7）團(tuán)塊上堿性磷酸酯酶呈現(xiàn)出較高的酶活性，而成纖維細(xì)胞團(tuán)上的酶活性相對(duì)較低。精準(zhǔn)挑選成像中感興趣的團(tuán)簇后，通過對(duì)各自種類單個(gè)細(xì)胞團(tuán)塊的基因表達(dá)分析，進(jìn)一步證實(shí)了ALP在癌細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)。相比成纖維細(xì)胞，其他的基因如多能性相關(guān)Sox2，上皮標(biāo)志基因MUC1，EPCAM等也在三維腫瘤團(tuán)塊中顯著表達(dá)。

該研究是張學(xué)記教授發(fā)起創(chuàng)建的北京科技大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)療與健康研究院在微流控和掃描電化學(xué)顯微鏡領(lǐng)域結(jié)合的又一突破性進(jìn)展，為今后腫瘤細(xì)胞SECM成像研究和下游精準(zhǔn)的基因調(diào)控分析架構(gòu)了新的橋連。趙亮博士表示：“利用SECM無標(biāo)記成像技術(shù)進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的探索一直是當(dāng)前分析化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而微流控技術(shù)可以為SECM進(jìn)一步助力，從而使整個(gè)細(xì)胞成像研究流程變得更為通暢，產(chǎn)生更多有價(jià)值的信息，譬如無縫地銜接下游的大規(guī)?；虮磉_(dá)分析?！?/p>