基于微流控芯片-质谱联用下的单细胞分析方法研究

Single cell analysis is vital for cell biology, disease pathology, drug discovery and medical treatment. It is of great significance to reveal the law of creature and to explore the mechanism of serious disease. The conventional single cell analysis focuses on a large number of cells, in order to obtain the average information about cells. Therefore it fails to analyze the real-time and continuous data of differences between the individual cells, thus limiting the development of many fields, such as biomedical. This proposal aims to develop a microfluidic platform for real-time analysis of single cells, using micro structures to integrate single cell manipulation and fluidic control. The integration of the drug treatment for single cancer cells and construction of biomimetics in vitro tumor microenvironment for drug metabolism are adapted for genes and proteins detection, which plays a significant role in the research of mechanism of cell differentiation. This new analytical method will provide new information for the research on mechanism of cell differentiation, which has detected the real-time process of gene expression changes in single cell. It has great academic significance for the development and application of new drugs as well as the disease progression.

单细胞分析是细胞生物学、疾病病理学、药物研发、医学诊疗等研究学科的热点，对于揭示生命体规律与探究重大疾病机理等具有重要意义。传统的单细胞分析主要针对大量的细胞样本，获得细胞的平均信息，掩盖了单个细胞之间的差异、实时、连续的数据分析，使得生物医学等很多领域的发展受到限制。本项目针对单细胞操纵分析过程实时检测的技术难点，拟利用微流控芯片微型化、高集成化等特点，通过对微结构的精确控制和流体的操控，构建单细胞药物诱导以及生物内环境模拟的细胞共培养模型用于药物代谢的研究，应用于微流控-质谱联用分析平台，开展癌细胞药物诱导过程中基因、蛋白等实时监测，将对癌细胞分化过程机理的研究起到重要的促进作用。该分析方法成功开发可以为细胞分化机理研究提供新信息、新手段，拟实时检测细胞内基因表达变化的过程，对疾病的进展以及新药的开发评价研究具有重要的学术意义和应用价值。

本项目开展了活体单细胞实时分析技术，利用微流控芯片微型化、高集成化等特点，通过对微结构的精确控制和流体的操控，构建单细胞药物诱导以及生物内环境模拟的细胞共培养模型用于药物代谢的研究。首先，开发了高集成化微流控细胞分析平台，在芯片中实现细胞共培养、药物诱导和细胞代谢物的提取，进行微流控-质谱联用分析平台，开展癌细胞药物诱导过程中细胞代谢物监测等，研究新药对癌细胞以及周边细胞的分化机理。其次，构建了集成化微流控芯片上细胞操控及三维动态培养的研究，得到边界清晰的多腔室微胶囊，用于未来模拟肿瘤细胞球研究，开创了一个新的研究方向和领域。再者，构建集成化微流控分析平台可以动态的调控流体的灌注，为细胞提供更稳态的生长微环境。可为细胞的代谢反应以及内部结构来探究细胞对不同微环境的响应。最后，模拟生物内环境进行药物诱导并对活体单细胞原位检测及其代谢的研究，在微流控芯片的三维培养模型上来观察不同刺激、不同细胞外基质环境下的单细胞迁移的实时状态，完成单细胞实时在线分析的实际应用，获得相关活体单细胞药物代谢数据进行分析。本项目的分析方法开发可以为细胞分化机理研究提供新信息、新手段，实时检测细胞内代谢物变化的过程，对疾病的进展以及新药的开发评价研究具有重要的学术意义和应用价值。