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中科院青島能源所發明高通量高穩定性的拉曼流式細胞術，能“無創”對腫瘤細胞進行快速區分

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心和青島星賽生物合作發明了一種高通量高穩定性的拉曼流式細胞術，可基于介電誘導確定性側向位移完成單細胞聚焦、捕獲及釋放，并證明了該方法針對腫瘤細胞、微藻、酵母和細菌等多種細胞類型具有廣譜適用性。基于此研發的FlowRACS 3.0儀器，為活體單細胞代謝表型組的高通量檢測提供了全新工具。該工作由青島能源所單細胞中心馬波研究員和徐健研究員主持，與青島星賽生物合作完成，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和山東省自然科學基金委的支持，近日發表于《先進科學》。

單細胞拉曼光譜（SCRS）能非標記、非侵入性、無損、全景式地揭示細胞代謝狀態，因此基于單細胞拉曼光譜的活體單細胞流式檢測方法有廣闊的應用前景，在微生物資源挖掘、細胞工廠篩選、酶元件表征、生物過程監控、臨床診療等方面具有共性的支撐作用。與熒光流式、質譜流式等現有流式細胞檢測手段相比，拉曼流式具有無需標記細胞、活體檢測、信息量豐富等優勢。但高通量拉曼流式技術的應用始終受限于：首先，需要提高樣品的普適性，以適用于不同細胞類型與不同表型的檢測；其次，需要提高檢測的通量，以實現高度異質性細胞群體的深度檢測；最后，需要提高運行的穩定性，以支撐高度可靠的儀器使用流程。

【資料圖】

針對上述問題，青島能源所單細胞中心王喜先、任立輝、刁志鈿、何曰輝等帶領的研究小組發明了“介電誘導確定性側向位移實現單細胞聚焦、捕獲/釋放的拉曼流式檢測技術”。該技術可通過寬流場高流量的進樣策略，有效防止細胞沉降，從而實現了5小時以上穩定運行；通過介電誘導細胞確定性側向位移，實現了寬場中細胞高效聚焦地流經檢測位點，從而保證了拉曼檢測效率；通過施加檢測時間依賴的周期性介電場，實現了單細胞的快速捕獲/釋放，可以滿足各種不同代謝表型的普適性、高通量檢測。基于上述關鍵技術突破，研究小組研制成功兼具廣譜通用性、高通量、運行穩定性等性能的高通量拉曼流式檢測系統，并開發了腫瘤細胞分類、微藻合成過程監控、產油酵母多表型監控、細菌藥敏性檢測等一系列應用。

應用于植物生物制造過程的代謝監控，該技術基于共振拉曼信號，實現了雨生紅球藻中蝦青素含量的實時監測，從而完成了單細胞精度蝦青素累積過程細胞工廠代謝狀態的監控，并考察了“高光”和“缺氮”等條件對細胞蝦青素累積速度及其同步性的影響，其蝦青素含量檢測速度為行業目前最高的自發拉曼檢測/分選通量。

應用于酵母生物制造過程的代謝監控，該技術基于非共振拉曼信號，完成了油脂酵母中細胞代謝活力、甘油三脂含量、油脂不飽和度等多個關鍵代謝表型的同步動態監控，進而通過拉曼組機器學習、拉曼組內關聯分析等算法，實現了單細胞代謝狀態準確率超96%的實時鑒定，以及細胞內代謝物相互轉化網絡的實時重建。

在細菌藥敏性的流式快檢中國，基于單細胞中心前期提出的重水飼喂單細胞拉曼藥敏原理，該技術以大腸桿菌和多種常見抗生素為例，開發了流式藥敏快檢技術，并通過與拉曼藥物應激條形碼、IRCA、拉曼組機器學習等算法，證明該流式藥敏快檢技術還能實時地判斷單菌體精度的藥物應激狀態、構建細胞內代謝物相互轉化網絡等，從而揭示細菌-藥物互作機制。此外，流式檢測大大提高了藥敏檢測中單細胞拉曼光譜取樣深度，對于識別群體中通常占比很低的耐藥細胞，具有重要的意義。

該技術還能實現對腫瘤細胞類型的快速區分。基于SCRS中信息豐富的指紋區，該技術以膀胱癌、肺癌、腎細胞癌、乳腺癌等細胞株為例，證明流式拉曼技術耦合拉曼組機器學習算法，能以平均超過95%的準確率完成腫瘤細胞類型的快速判別，該方法對于腫瘤細胞質量檢測等應用具有潛在的應用價值。

與轉錄組、蛋白組和代謝物組相比，拉曼組能表征單細胞精度的底物代謝、產物合成、環境應激性、化合物相互轉化等關鍵代謝表型，而具廣譜適用、活體、無損、非標記、全景式表型、可分辨復雜功能、快速、低成本、能耦合下游測序、質譜或培養等優勢，因此拉曼組是一種更接近于“功能”、更適合于臨床、工業等場景的單細胞表型組。為了支撐人體、動植物和微生物拉曼組數據的自動化采集與分析，單細胞中心與星賽生物合作推出了高通量流式拉曼分析/分選儀FlowRACS 3.0，將大大加速拉曼組平臺的推廣應用。（青島日報/觀海新聞記者 耿婷婷）

責任編輯：李婧菲

（作者：耿婷婷)