近日，中國科學(xué)院微電子研究所健康電子中心研究員黃成軍、副研究員趙陽團隊，在單細胞電學(xué)特性流式分析方法及高通量實時分析儀器研究方面取得重要進展。?
單細胞電學(xué)特性生物傳感與分析技術(shù)為單細胞生物物理學(xué)研究提供了新維度。該技術(shù)已被證明在全血分析、腫瘤細胞分型和免疫細胞狀態(tài)評估方面具有重要的應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的電學(xué)檢測方法難以實現(xiàn)高通量實時性分析，限制了需要大量系統(tǒng)實驗的單細胞電學(xué)特性研究的開展。?
該團隊提出了快速并行物理擬合求解器，僅需0.62 毫秒即可在線求解出單個細胞膜比電容和細胞質(zhì)電導(dǎo)率。與傳統(tǒng)求解器相比，在不損失準(zhǔn)確度的前提下，速度提升了27000倍，且不需要任何數(shù)據(jù)預(yù)采集和預(yù)訓(xùn)練過程，進一步實現(xiàn)了基于物理模型信息的實時阻抗流式細胞分析儀（piRT-IFC）（圖1）。該技術(shù)可在50分鐘內(nèi)實時表征高達100902個單細胞，具有高穩(wěn)定性、高通量、實時化和全流程自動化等特點。作為示范應(yīng)用，該團隊對藥物處理后HL-60中性粒細胞脫?，F(xiàn)象這一典型的快速變化的生物過程進行實時表征分析。與普遍采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助加速方法對比研究表明，piRT-IFC具有速度快、準(zhǔn)確度高和泛化能力強的優(yōu)勢，具備廣泛的應(yīng)用潛力。?
相關(guān)研究成果以piRT-IFC: Physics-informed real-time impedance flow cytometry for the characterization of cellular intrinsic electrical properties為題，發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystem and Nanoengineering）上。該研究由微電子所和計算技術(shù)研究所合作完成。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、北京市和中國科學(xué)院的支持。
近年來，該課題組面對單細胞物理特性檢測存在敏感機理不明和技術(shù)實現(xiàn)困難等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)性提出了基于微流控技術(shù)的“交叉壓縮通道”敏感新原理和單細胞電學(xué)模型，建立了基于微流控芯片的單細胞電學(xué)特性高通量定量檢測方法，檢測參數(shù)包括細胞膜比電容和胞漿電導(dǎo)率，通量比膜片鉗等常規(guī)方法高10000倍，并進一步研發(fā)出實時高通量單細胞電學(xué)特性流式分析儀（圖2）。儀器入選中國科學(xué)院自主研制科學(xué)儀器名錄，與首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京胸科醫(yī)院、計算所等單位合作，成功用于腦卒中動物模型、癌癥病人樣本、藥物模型等領(lǐng)域的多種細胞的分析，為腫瘤/腦卒中等精準(zhǔn)診斷、藥物篩選等提供了有力工具，并發(fā)現(xiàn)了新型標(biāo)志物，驗證了相關(guān)藥物候選分子的作用、獲得授權(quán)專利。
圖1.?實時阻抗流式細胞分析儀（piRT-IFC）原理樣機、核心微流控芯片、設(shè)備交互界面、典型結(jié)果和自動化實時數(shù)據(jù)處理流程?
圖2. 基于微流控芯片技術(shù)的單細胞電學(xué)特性活體單細胞分析儀（左）及核心微流控芯片（右）
