都是独特存在的
随着细胞的进化与环境成分的滋扰
细胞基因还可能发生变革
这种特定的基因改变
可能会导致细胞产生分外的行为
例如，EGFR基因突变
可能会导致正常细胞行为失落控
并逐渐形成肿瘤细胞
虽然临床上针对EGFR基因突变
发展了很多靶向药物
但随着治疗的进行
肿瘤细胞常常会涌现耐药性
造成药物失落效
使本来处于抑制状态的肿瘤复发
检测肿瘤细胞是否存在EGFR突变
并推断其对靶向药物的耐药性
可以有效辅导临床治疗方案的制订
针对在活细胞内基因突变检测与细胞耐药行为剖析，我校生物与医学工程学院和生物医学工程高精尖中央常凌乾课题组开拓出一种新型活细胞检测平台（Single Living Cell Analysis Nanoplatform，下称 SLCA 平台），借助纳米电递送技能，该平台可将一种用于原位旗子暗记放大的多米诺荧光探针，高效递送到活细胞内，从而在单细胞水平检测细胞内的基因突变。
同时，该研究中基于微孔阵列的纳米芯片，拥有细胞寻址的能力，它能对肿瘤细胞进行耐药性原位剖析。
日前
Nano Letters刊登了常凌乾课题组
有关单细胞生物芯片的研究论文
并当选为当期的内封面文章
常凌乾教授为论文通讯作者
第一作者是北航董再再博士
神奇的“多米诺”探针
SLCA 平台（图1）由用于细胞基因检测的多米诺探针和用于向细胞内递送探针并为细胞供应地址的微孔阵列芯片组成。多米诺探针是通过将成对的“发卡”形状的DNA序列，利用碱基互补配对原则组装形成紧密的DNA长链。在有突变的基因存不才，多米诺探针能够与突变的基因结合，并触发探针上的一个“发卡”DNA链发生置换反应，同时使一个荧光素发出荧光，这就像是推倒了多米诺骨牌的第一块牌。随后，被置换下来的DNA链又连续置换多米诺探针上的下一个相邻的“发卡”DNA链，终极将全体多米诺探针上的DNA链置换下来，探针上的荧光素都发出荧光。由于每个“发卡”DNA链间隔很近，全体反应就像多米诺骨牌一样，一旦推倒个中一块牌，其相邻的牌就会逐个倒下。因此，作者将这种探针命名为“多米诺”探针。与传统的探针比较，这种探针的反应速率加快了4倍，荧光旗子暗记增强了10倍。
图1. 单个活细胞剖析（SLCA）纳米平台事理示意图。（a）基于微孔阵列的纳米芯片在单个活细胞中检测靶标RNA的事理。（b）多米诺探针与靶标RNA结合前（OFF）后（ON）的构象变革示意图。（c）纳米芯片用于将多米诺探针递送到活细胞中，并供应每个细胞的位置信息。（d）基于微孔阵列的纳米芯片的分层装置示意图。
芯片上的纳米孔
为了能高效地将这种多米诺探针递送至细胞内，常凌乾课题组设计了纳米孔芯片技能，对细胞施加聚拢后的电场，使细胞膜上的磷脂双分子层发生重排形成通道。同时，多米诺探针在电场的浸染下发生电泳动，经由纳米孔与细胞膜上的通道进入至细胞内，并与细胞内的突变基因结合，触发“多米诺”反应。通过检测细胞的荧光，即可判断细胞是否发生了突变（图2）。
图2. 采取单个活细胞剖析纳米平台检测细胞内的基因突变。 肺癌细胞H1975（L858R突变），HCC827（19外显子缺失落突变）和A549（野生型）EGFR L858R和19外显子缺失落突变的荧光图像。Hoechst 33258，细胞核染料。比例尺：10 μm。
此外，针对每个细胞基因和行为都不同的特性，这种芯片授予了每个细胞可寻址的能力。每个位于孔中细胞都具有一个特定的地址，如此，纵然芯片被移动了位置，还能根据特定的地址找到细胞（图3）。
图3. 可寻址的微孔阵列及排布的单个细胞。绿色荧光：Calcein AM染色的细胞。比例尺：100 μm。
有望用于药物治疗肺癌
作者利用该平台研究了肺癌患者临床样品中单个活细胞的基因突变，揭示了EGFR突变（21外显子L858R和19外显子E746-A750缺失落突变）与相应的靶向药物耐受性之间存在明显的正干系性（图4）。该研究事情中提出的纳米平台实现了原位的细胞培养，细胞内基因探测以及以时空可控的办法研究细胞行为，在探究单细胞异质性的研究中具有较大的运用前景，并有助于进一步明确个性化药物治疗方案。
图4. 原代肿瘤细胞样品中EGFR RNA突变检测和耐药性剖析。（a）采取SLCA纳米平台检测患者L1原代肿瘤细胞中EGFR L858R突变RNA的荧光图像。比例尺：100 μm。（b）和（c）采取SLCA纳米平台从具有EGFR L858R突变（b）或19外显子缺失落突变（c）的原代肿瘤细胞样品中检测到的突变细胞阳性率。（d）和（e）分别对EGFR L858R突变（d）或19外显子缺失落突变（e）的原代肿瘤细胞样品进行单细胞基因剖析的qPCR结果。（f）和（g）EGFR突变靶向药物厄洛替尼和吉非替尼对EGFR L858R突变（f）或19外显子缺失落突变（g）的原代肿瘤细胞的抑制浸染。
文章第一/通讯单位为
北航生物医学工程高精尖创新中央
北航生物医学工程学院
互助单位包括
北京大学附属肿瘤医院
都城医科大学附属北京世纪坛医院
通讯作者
2016年博士毕业于美国俄亥俄州立大学生物医学工程系。曾于2017年9月至2018年12月在美国北德克萨斯大学(University of North Texas)生物医学工程系担当助理教授(Tenure Track)。入选2017年中组部高层次外洋人才操持。研究方向聚焦于生物微纳芯片，近五年揭橥SCI检索、同行评议的期刊论文60余篇，个中一作及通讯论文30余篇，如 Nature Nanotechnology, Research, Nano Letters, Small, Trends in Biotechnology, Biosensors&Bioelectronics等。已申请和已授权中美专利共14项。主编英文专著1部（Springer），书章节5章。得到俄亥俄州立大学博士最高奖Presidential Fellowship，北德克萨斯大学RSG Awards, MINE 2018“精彩青年科学家”提名等名誉。兼任中国生物医学工程学会纳米医药分会青年委员等，以及多个SCI检索的国际期刊副主编或编委，如Biomedical Engineering Online、Biosensors、Sensors等。并在2020年联合华西医院研发的病原体核酸快速检测平台得到诸多关注。
第一作者
2019年博士毕业于中国科学院化学研究所，现为北京航空航天算夜学生物与医学工程学院博士后，互助导师为常凌乾教授。董再再紧张从事细胞微纳米芯片和探针设计干系的运用研究事情，在细胞标志物检测剖析领域具有较为丰富的事情履历。已在Nano letters, Analytical Chemistry，Microsystem & Nanoengineering，Advanced Healthcare Materials等生化剖析和微纳米技能领域的威信期刊揭橥SCI学术论文共14篇，书章节1章，申请中国专利共6项，个中已授权3项。
课题组简介
北航常凌乾教授课题组研究方向紧张涉及新型的微纳芯片实现单细胞和单分子的操控和检测，运用于癌细胞筛查和肿瘤治疗、再生医学等研究。（1）设计新型的细胞纳米电转芯片技能，实现单细胞精确操控和分子导入；（2）发展细胞检测探针，实时解析细胞基因调控和细胞行为；（3）设计运用全植入式芯片，实现在体细胞和组织器官的局部基因导入和疾病治疗；（4）分子快速检测生物芯片，如新冠病毒及多种病原体检测生物芯片。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c00199
面向天下科技前沿
面向经济主沙场
面向国家重大需求
面向公民生命康健
北航科学家，持续立功！
出品 | 航小萱®事情室
素材来源｜常凌乾课题组
编辑 | 孟晔 史越 郑琦
