基于微流控液滴和电喷雾质谱的单细胞酶活性分析新方法的研究

研究单细胞的化学组分和功能的差异，有利于深入理解细胞的生理功能，对重大疾病的早期诊断，药物研发等具有重要意义。本项目以微流控液滴系统和电喷雾质谱为技术平台，开展单细胞酶活性分析新方法的研究。采用皮升至纳升级的液滴作为微反应器，通过微流控芯片设计，自动化完成单细胞分析中细胞包裹、试剂加入、细胞溶膜、混合、酶反应、液滴分相和反应产物的电喷雾质谱测定等单元化操作。具体包括液滴内溶膜技术的研究、纳升级电喷雾质谱用于液滴测定及其定量技术的研究、单细胞酶分析的高灵敏度和高可靠性检测的研究。深入研究癌变细胞与正常细胞，以及经药物刺激细胞和未刺激细胞的酶活性差异，为单细胞分析在癌症的早期诊断和药物研发领域的应用奠定基础。

本项目针对当前单细胞和微液滴的分析方法的局限性，基于本实验室在微流控芯片和电喷雾质谱的研究基础，发展多种新型微液滴生成、多步操控、单细胞包裹、酶反应、无标记化学组分鉴定的方法和技术，致力于实现单个哺乳动物细胞内生物活性分子的无标记检测。我们建立了一种超微量、高通量的液滴操控平台，实现自动化、皮升级的液滴生成、组装、移取、和融合，最小液滴操控体积至60皮升，并将其应用于Caspase-1酶的小分子抑制剂的筛选和抑制性能评价中。实现液滴内组分的高通量、高灵敏度的无标记质谱检测，建立了一系列微流控液滴阵列—电喷雾质谱的接口技术，包括基于L型一体化取样探针的接口技术、SWAN型连续液滴取样探针技术、以及基于纳升级进样阀的液质联用液滴分析技术，并分别将这些技术应用于液滴内的蛋白质组样品前处理、乙酰胆碱酯酶的抑制剂筛选、以及肝微粒体内细胞色素P450酶的抑制率测定等研究中。在此研究的基础上，建立了一套适用于单细胞分析的二维液滴阵列系统，该系统集成液滴生成、单细胞包裹、荧光计数、在线裂解、反应、以及检测等多步液滴操控和反应步骤，可同时检测单细胞内的基因表达差异，为肿瘤、细菌抗药性及细胞进化等细胞异质性研究提供了一个崭新的平台。该项目共发表SCI论文9篇（其中包括2篇Anal. Chem.，2篇Lab Chip，1篇Scientific Reports），申请专利5项，培养研究生6人。