单细胞分析方法和系统技术方案

本发明专利技术提出单细胞分析方法和系统，该方法包括：将注有电解质溶液的纳米管置于含有待测细胞样本的电解质溶液中；将工作电极的一端插入纳米管内的电解质溶液中，将对电极的一端插入纳米管外的电解质溶液中，工作电极的另一端与对电极的另一端通过电源相连；接头电源以使工作电极和对电极之间形成离子电流通路，记录施加的电压值和电流值；细胞在电场力的作用下向纳米管的管口运动，在距离管口预定距离时会受到阻力以使单个细胞远离管口，会形成电流降信号，基于电流降信号参数，实现单细胞分析。由此，可以准确地实现单细胞分析，例如尺寸、浓度、类型等，对细胞不会造成损伤，有助于细胞组学研究，为肿瘤细胞临床诊断和治疗奠定基础，应用前景广泛。应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
单细胞分析方法和系统


[0001]本专利技术涉及生物化学分析领域。具体地，本专利技术涉及单细胞分析方法和系统。

技术介绍

[0002]细胞是生物体的基本结构和功能单位。人们为了揭示生命活动的规律，往往以细胞的研究为基础，深入探索生命过程的化学性质和规律。即使是同一类型的细胞在相同的生理条件或外部刺激下表现出细胞间的差异，包括大小、生长速度和形态，以及不同生物分子的表达水平。然而传统的检测结果大多基于细胞的整体响应，而无反映出单个细胞的异质性。因此建立单细胞的分析手段具有重要意义。
[0003]长久以来，人们建立起各种单细胞分析方法在医药、生命科学、临床诊断等领域的研究做出巨大的突破。传统的单细胞检测手段例如：流式细胞术，通常需要对细胞进行标记处理，并且对于原位活细胞检测仍面临有较大挑战。近几年其他的单细胞分析技术将流式细胞术与光谱、质谱、光学成像等技术结合，使得单细胞分析手段具有更高的通量、时空分辨率。然而，这些方法往往需要对细胞进行前处理，并且耗时较长，同时需要复杂昂贵的仪器，这也是传统的单细胞分析技术急需解决的问题。因此非常有必要发展一种简易，高效，无损伤的单细胞分析手段。
[0004]电化学方法作为一种具有高时空分辨率的方法在单细胞分析领域具有很大潜力。经典的电化学分析方法是利用超微电极检测单个细胞内的电活性物质或者神经递质。然而微电极的插入，会对细胞带来一定的损伤。近年来，微纳米孔技术得到了大力发展，基于电阻脉冲的传感技术实现了单颗粒、单细胞水平的分析检测。然而，基于这种穿孔事件的分析方法会受到检测物质尺寸与孔尺寸的限制。
[0005]因此，目前针对单细胞的分析方法仍有待研究。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。为此，本专利技术提出了一种单细胞分析方法和系统，利用该方法和系统可以准确地实现单细胞分析，例如确定单细胞尺寸、浓度、鉴定单细胞类型等，并且对细胞不会造成损伤，有助于细胞组学研究，为肿瘤细胞临床诊断和治疗奠定基础，应用前景广泛。
[0007]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种单细胞分析方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：将注有电解质溶液的纳米管置于含有待测细胞样本的电解质溶液中，所述纳米管内外的电解质溶液相同；将工作电极的一端插入所述纳米管内的电解质溶液中，将对电极的一端插入所述纳米管外的电解质溶液中，所述工作电极的另一端与所述对电极的另一端通过电源相连；接头电源以使工作电极和对电极之间形成离子电流通路，记录施加的电压值和电流值；细胞在电场力的作用下向所述纳米管的管口运动，在距离所述管口预定距离时会受到阻力以使单个细胞远离管口，此时会形成电流降信号，基于所述电流降信号参数，以便实现单细胞分析。
[0008]根据本专利技术实施例的方法中，带负电性的细胞在电场力的作用向管口处靠近。当细胞接近到管口一定程度时，会受到明显的由管内向管外的电渗流(粘性应力)和介电泳力作用，这两种作用力会驱使靠近管口的细胞远离管口。即，细胞在管口处的动力学过程实际上是由在纳米管施加的电压与细胞在管口处所受的多种力来控制的，这种细胞靠近和离开管口是在单细胞水平上发生的。在细胞接近管口时造成离子阻塞会形成电流降信号，而细胞离开后电流信号又恢复，如此，基于电流降信号可以实现单细胞分析。由此，利用根据本专利技术实施例的方法可以准确地实现单细胞分析，例如确定单细胞尺寸、浓度、鉴定单细胞类型(如何种肿瘤细胞)等，并且对单细胞不会造成损伤，有助于细胞组学研究，为肿瘤细胞临床诊断和治疗奠定基础，应用前景广泛。
[0009]根据本专利技术的实施例，所述单细胞分析方法还可以具有下列附加技术特征：
[0010]根据本专利技术的实施例，所述纳米管的内径为150～250nm。由此，可以实现单细胞水平上的分析。
[0011]根据本专利技术的实施例，所述纳米管的管口具有突出的锥形尖端，半锥角为3～4
°
。由此，可以实现单细胞水平上的分析。
[0012]根据本专利技术的实施例，所述纳米管是通过将外径为1.5mm、内径为1.1mm的硼硅酸盐玻璃进行拉制所获得的，所述拉制的条件如下：第一循环：温度为325℃，聚焦范围为5，速度为20，延时128，拉力为50；第二循环：温度为350℃，聚焦范围为4，速度为15，延时130，拉力为175。由此，可以获得内径为150～250nm的纳米管，从而实现单细胞分析。
[0013]根据本专利技术的实施例，所述电解质溶液选自磷酸盐缓冲液。由此，可以维持细胞正常的生命活性。
[0014]根据本专利技术的实施例，所述单细胞分析包括：确定尺寸、浓度和/或鉴定单细胞类型。
[0015]针对不同尺寸大小的细胞，每次单细胞事件引起电流降的大小与细胞直径成正比，并且每个峰的持续时间也随细胞尺寸增加而增加，细胞尺寸越大，电流下降的比值越大，持续时间越长。可以采用电流降的大小与基线电流值的比值(ΔI/I)作为判断细胞尺寸的参数。通过对多个已知尺寸的细胞进行分析，获得细胞尺寸与电流降信号之间的关系图谱，在检测未知细胞时，将未知细胞的电流降信号与构建的图谱进行比对分析，从而可以确定未知细胞的尺寸。
[0016]针对不同浓度的同种细胞，由于每次单细胞事件是由细胞在体相溶液扩散到管口附近电场进行电迁所引起的，因此在相同检测时间内发生单细胞事件的次数是与体相溶液中细胞浓度(数量)成正相关的。基于此，该方法将电信号的出现频率与细胞浓度建立定量关系用于检测不同样本溶液中的细胞浓度。
[0017]针对不同类型的细胞(如肿瘤细胞)，由于细胞膜表面的蛋白表达不同，细胞膜的带电荷量和分布会出现不均匀的情况。这样就使得每个单细胞在经过管口时，不均匀的细胞膜会引起管口电流的短暂的震荡性变化也就是多峰的出现。而对于每种肿瘤细胞来说，多峰的电流信号反应的就是他们各自特有的电化学特性，所以我们把不同的峰形图案的作为各种肿瘤细胞的电化学指纹图谱，可以用来特异性识别每种肿瘤细胞。此外，不同肿瘤细胞的指纹图谱识别也是基于利用机器学习的方法来分析峰形图案中的4种参数(单峰个数、整体峰的延迟时间、单峰延迟时间和单峰的电流降)从而达到肿瘤细胞识别的目的。
[0018]根据本专利技术的实施例，所述细胞为肿瘤细胞。需要说明的是，本专利技术对于肿瘤细胞的分析方法不包括对疾病的诊断和治疗，可以用于对肿瘤细胞的科学研究。
[0019]根据本专利技术的实施例，所述细胞选自HeLa细胞、MCF
‑
7细胞或A549细胞。
[0020]根据本专利技术的实施例，所述电流降信号参数包括：单峰个数、整体峰的延迟时间、单峰延迟时间和单峰的电流降。
[0021]在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种单细胞分析的系统。根据本专利技术的实施例，所述系统包括：储液装置，所述储液装置中设置有储液空间，所述储液空间内适于存储含有待测细胞样本的电解质溶液；纳米管，所述纳米管的一端设置于所述储液空间内，所述纳米管内形成有容纳空间，所述容纳空间内适于存储电解质溶液；工作电极，所述工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单细胞分析方法，其特征在于，包括：将注有电解质溶液的纳米管置于含有待测细胞样本的电解质溶液中，所述纳米管内外的电解质溶液相同；将工作电极的一端插入所述纳米管内的电解质溶液中，将对电极的一端插入所述纳米管外的电解质溶液中，所述工作电极的另一端与所述对电极的另一端通过电源相连；接头电源以使工作电极和对电极之间形成离子电流通路，记录施加的电压值和电流值；细胞在电场力的作用下向所述纳米管的管口运动，在距离所述管口预定距离时会受到阻力以使单个细胞远离管口，此时会形成电流降信号，基于所述电流降信号参数，以便实现单细胞分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米管的内径为150～250nm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米管的管口具有突出的锥形尖端，半锥角为3～4
°
。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米管是通过将外径为1.5mm、内径为1.1mm的硼硅酸盐玻璃进行拉制所获得的，所述拉制的条件如下：第一循环：温度为325℃，聚焦范围为5，速度为20，延时128，拉力为50；第二循环：温度为350℃，聚焦范围为4，速...

【专利技术属性】
技术研发人员：于萍，高铁男，马文杰，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：