单细胞电化学-质谱分析方法的建立及其对细胞氧化应激过程的研究

Cellular heterogeneity is initialed by the different activity of the molecules in the signaling pathway. Therefore, the understanding of cellular heterogeneity need to fully analyze all biological molecules (including small molecules and large molecules, etc.) in the pathway at single cell level, and then, associate the change of molecule activity (concentration or amount) with the cell behavior. The fluorescence and mass spectrometry techniques could achieve multiple molecule detection in one cell, however, they have the difficulty to detect small molecule with high temporal resolution. Since nano-sized electrodes are capable of detecting small molecules of this advantage, the proposal will aim at the development of electrochemical-mass spectroscopic platform for single cell analysis. In this new platform, the novel nano-sized probe will be designed to permit the electrochemical and mass spectroscopic analysis of electroactive and non-electroactive molecules at the signaling pathway simutaneoulsy. After the comprehensive analysis of these molecules, more information about the signaling pathway inside the cells could be obtained. The platform will be applied to study the intracellular oxidative stress pathways, which will provide scientific data for the explanation of cellular heterognetity on the stress. Meanwhile, the platform developed will promote the electrochemical and mass spectrometry analysis for single cells.

细胞的个体差异性由其内部信号通路中分子活性不同所导致，因此解析单细胞异质性生物学根源的关键在于，在单细胞层面完整分析信号通路中多种生物分子（包含小分子和大分子等），并将这些分子活性（浓度或含量）的变化与细胞行为相关联。目前荧光和质谱技术虽然可对细胞微区中多个分子进行检测，但很难高时间分辨的检测其中的小分子。基于纳米电极能对细胞微区中的小分子进行检测这一优势，本项目将在纳米电极的基础上发展电化学-质谱技术，通过设计新型复合纳米探针，实现电化学和质谱对一个微区中具有电化学活性的小分子和非电活性的多种生物分子的同时检测，从而可综合分析这些分子在信号通路中的含量变化。项目将应用电化学-质谱方法对单细胞内氧化应激通路进行研究，获取该信号通路中涉及的多种生物分子活性变化信息，为解析单细胞氧化应激个体差异性提供科学数据，同时在分析技术层面推动电化学和质谱技术在单细胞检测上的应用。

细胞的个体差异性由其内部信号通路中分子活性不同所导致。需要在单细胞层面完整分析信号通路中多种生物分子（包含小分子和大分子等），并将这些分子活性的变化与细胞行为相关联，以解析单细胞异质性的生物学根源。本项目针对单个细胞内生物活性难以测定的技术难点，通过设计新型复合纳米探针，创建 “单细胞试剂盒”电化学分析新方法，实现对单个活细胞及单个细胞器中生物分子活性的测定；建立了高灵敏电化学发光显微成像技术，测定了单细胞中多种重要生物分子在细胞氧化应激过程中的含量变化；实现了可检测单细胞微区中分子组成的单细胞电化学-质谱检新方法，有效提高了单细胞质谱技术的空间检测能力。在建立了这些新型方法的基础上，将发展的可对细胞内微区中生物分子活性和含量检测的电化学-质谱技术成功应用于单细胞氧化应激过程的研究，揭示了该过程中单细胞异质性的生物学特征。这种通用性高的单细胞分析方法的建立突破了单细胞分析内分子活性难以测量的技术瓶颈，为深入理解生命过程中的化学基础提供了新一代单细胞分析方法和生物学信息。 . 在执行期间共发表SCI 论文13 篇 (其中PNAS 2 篇, JACS 1 篇, Anal Chem 6 篇)。技术转让1项。培养博士研究生4名，硕士研究生6 名。在项目内容和发表论文方面均完成了既定任务。