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青岛能源所发明拉曼激活单细胞液滴分选技术

单个细胞是地球上细胞生命体功能和进化的基本单元。单细胞精度的高通量功能分选是解析生命体系异质性机制、探索自然界微生物暗物质的重要工具。单细胞拉曼光谱(SCRS)能够在无标记、无损的前提下揭示细胞固有的化学组成,因此拉曼激活细胞分选技术(RACS)日益受到广泛关注。但是分选通量是当前限制其广泛应用的最重要的瓶颈之一。据此,青岛能源所单细胞中心马波研究员与徐健研究员带领的多学科交叉团队通过耦合SCRS和液滴微流控技术,发明了拉曼激活单细胞液滴分选技术(Raman-activated single-cell Droplet Sorting; RADS),这是目前已公开报道的工作中分选通量最高的RACS系统。该工作于11月3号在线发表于Analytical Chemistry。

单细胞中心前期发明了基于微流控芯片的流式RACS技术(Zhang, et al, Analytical Chemistry, 2015),通过集成基于介电的单细胞捕获释放和电磁阀吸吮技术,实现了高速流动状态下单细胞的捕获、拉曼采集、释放和分选,通量达~60 个细胞/分钟。为了进一步提高通量,研究人员提出,单细胞经液滴包裹后,通过耦合介电可实现超高通量分选。液滴包裹不仅可以保护细胞免受分选过程中的损伤,还能够与分选后细胞的培养、DNA、RNA、蛋白等的提取与分析等无缝衔接。因此,RADS技术有着广阔应用前景。

然而,在RADS技术中存在诸多技术难题。首先,液滴表面凸/凹的形状会产生透镜效应,从而影响拉曼激光聚焦,降低空间分辨率,最终导致无法获取液滴中细胞的拉曼信号。其次,单细胞液滴包裹需要油相的引入,而油相具有强拉曼背景,会严重影响细胞拉曼信号的精确获取。第三,如何实现拉曼采集、分析、单细胞液滴包裹及分选的自动化集成未见先例。单细胞中心研究人员巧妙利用先获取单细胞拉曼信号,后进行单细胞液滴包裹的策略,有效解决了液滴对拉曼信号采集的影响;同时,在线集成液滴发生和分选同步进行,大大简化了系统操作步骤;最后,通过自主开发的软件,实现了拉曼采集、分析、单细胞液滴包裹及分选的高度自动化。该系统实现了高产虾青素之雨生红球藻的精确化(分选准确率高达98.3%)、高通量(260 细胞/分钟)筛选。研究人员还证明,分选后有92.7%的雨生红球藻细胞保持活性并可增殖,和未经分选的对照组相比没有显著性差异,说明RADS技术充分保护了细胞的活性。

单细胞中心前期已证明,基于单细胞拉曼成像的拉曼组(Ramanome)技术能够非标记、非破坏性地识别与分析几近无限的细胞功能。与拉曼组技术相耦合的RADS将能够高通量分选广泛的细胞功能,从而允许下游特定功能单细胞的培养或组学分析。这一工作为研制高度通量化与集成化的单细胞拉曼分选与测序系统奠定了基础。

论文共同一作是青岛能源所单细胞中心的王喜先与任立辉。本工作得到了中科院武汉水生所胡强研究员、北京大学王玮教授等的帮助,并得到了中科院仪器专项、国家自然科学基金、中国博士后科学基金和山东省自然科学基金等的支持。


图1 拉曼激活单细胞液滴分选(RADS)系统示意图


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