芯片上的扫描电化学显微镜

 

近日，北京科技大学精准医疗与健康研究院，生物工程与传感技术北京市重点实验室，化学与生物工程学院的赵亮博士与张美芹研究员，张学记教授合作在期刊Analytical Chemistry（Nature Index Journal之一）上在线发表了题为”Systematic Analysis of Different Cell Spheroids with a Microfluidic Device Using Scanning Electrochemical Microscopy and Gene Expression Profiling”的研究论文。该研究工作报道了一种基于扫描电化学显微镜与微流控技术相结合，系统性研究异种细胞团块中细胞上蛋白活性与基因表达关系的新分析方法。

三维细胞团块是当前研究肿瘤生物学新的有力工具，能够更好地重构体内的肿瘤形态和生理环境。当前对于细胞团块的观测多是基于传统的光学成像方法，往往需要对细胞团簇进行荧光标记甚至切片成像等。扫面电化学显微镜（SECM）作为一种非光学无标记成像的技术正受到人们越来越多的关注。当前扫描电化学显微镜对于细胞团的表征往往表现为针对少量同种团块，单线扫描，难以采集和获取电化学信号之外的细胞内部基因表达的信息。

针对上述当前研究中的限制，该研究利用可打开的微流控芯片技术手段，将肿瘤和体细胞团块的培养集成在一块芯片上（85 x 4培养单元）。芯片开放后利用SECM对不同细胞团块扫描成像，后续可以精准地挑取单个细胞团块进行多基因表达分析。SECM成像结果表明，利用双模态多次扫描可以有效地消除底面形貌对团块电化学信号的影响，在乳腺癌（MCF7）团块上碱性磷酸酯酶呈现出较高的酶活性，而成纤维细胞团上的酶活性相对较低。精准挑选成像中感兴趣的团簇后，通过对各自种类单个细胞团块的基因表达分析，进一步证实了ALP在癌细胞中表达上调。相比成纤维细胞，其他的基因如多能性相关Sox2，上皮标志基因MUC1，EPCAM等也在三维肿瘤团块中显著表达。

该研究是张学记教授发起创建的北京科技大学精准医疗与健康研究院在微流控和扫描电化学显微镜领域结合的又一突破性进展，为今后肿瘤细胞SECM成像研究和下游精准的基因调控分析架构了新的桥连。赵亮博士表示：“利用SECM无标记成像技术进行生物医学领域的探索一直是当前分析化学领域的热点，而微流控技术可以为SECM进一步助力，从而使整个细胞成像研究流程变得更为通畅，产生更多有价值的信息，譬如无缝地衔接下游的大规模基因表达分析。”