电化学发光单细胞成像分析新方法

Single-cell analysis is of great importance for clinical diagnosis but still a great challenge in novel detection methodologies with simple operation and acceptable sensitivity. In this proposal, the applicant proposes single-cell analysis by electrogenerated chemiluminescence (ECL) imaging. The aim of this proposal is to develop simple and sensitive ECL imaging method for the determination of cancer-related biomarker and cancer cell. The research will be focused on following: first, new types of ECL probe with high ECL efficiency, appreciable cell permeability and low cytotoxicity were synthetized and screened; second, new strategy including DNA transfection technique were employed to make ECL probe penetrate into cell; third, the novel strategy including nanoparticle amplification, enzyme catalysis and bifunctional peptide-DNA molecules was proposed to improve the sensitivity of ECL imaging method and ECL quenching strategy was proposed to low background; fourth, the novel strategy including proximity ligation assay and bi-recognition is employed to improve the selectivity; fifth, the novel strategy including dual potential, dual wavelength with color resolution or potential resolution was proposed to improve the accuracy; finally, ECL imaging method was proposed for detecting cancer-related biomarker in single-cell level and single cancer cell with sensitivity and visualization. The novel method will not only allows determining cancer-related biomarker in a rapid manner, but also provides analytical tool for the development of drug-screening system, therefore to promote the ECL application for the early diagnosis of diseases.

单细胞分析在重大疾病的早期诊断和药物筛选中具有重要作用。本项目提出“电化学发光单细胞成像分析新方法”的研究，以肿瘤细胞及其相关生物标志物为研究对象，建立高灵敏度、原位实时监测单细胞的电化学发光成像分析新方法。拟合成与筛选发光效率高、细胞毒性小且可进入细胞的新型电化学发光探针；利用DNA转染技术将探针引入细胞；利用电化学发光淬灭剂降低背景，利用纳米材料、酶催化作用、DNA多肽双功能分子放大信号；利用邻位杂交技术和双识别模式提高选择性；利用双电位、双色比率法提高方法的准确性；建立高灵敏检测单细胞中生物标示物的电化学发光成像分析新方法以及实时原位监测单细胞的电化学发光成像分析新方法，并将其用于癌细胞的识别和检测以及药物筛选。本项研究基于电化学发光高灵敏、反应可控、快速成像的特点，发展一种集成像分析、生物分析于一体的前瞻研究，为电化学发光成像技术在生命科学中的应用提供新的方法和思路。

单细胞分析在重大疾病的早期诊断和药物筛选中具有重要作用。本项目主要围绕电化学发光单细胞成像分析新方法研究开展工作，重点在发光信号探针、肿瘤细胞相关生物标志物传感分析新方法和单细胞成像分析新方法三方面取得了一系列创新性研究成果。1）在发光信号探针研究方面，合成了6种发光效率高、可进入细胞的功能化新型环铱金属配合物，研究了新物质的构效关系，将其应用于细胞内物质的成像分析，揭示了外界刺激下细胞内物质含量的实时变化。2）在生物传感分析新方法研究方面，结合淬灭剂降低背景、纳米粒子信号放大、双电位分辨和邻位杂交双识别等策略，建立了6种高灵敏度、高选择性的荧光、电化学和电化学发光生物传感分析新方法，将其应用于肿瘤细胞及其相关生物标志物的分析检测以及药物筛选。3）在单细胞成像分析新方法研究方面，从细胞形貌、细胞表面物质、细胞分泌和细胞内生物活性物质四个层次，结合纳米电极和成像检测平台，建立了1种细胞形貌分析的电化学发光反相成像新方法、2种细胞表面特定蛋白质含量分析的电化学发光正相成像新方法、2种少量或单细胞分泌生物活性物质含量分析的电化学和电化学发光分析新方法和3种亚细胞水平细胞内生物活性分子含量分析的实时原位电化学和电化学发光分析新方法，揭示了外界药物刺激、恒电位电刺激下细胞形态学信息、细胞表面蛋白质含量和细胞内生物活性物质的变化规律。在Analytical Chemistry（6篇）、Chinese Chemical Letters、Nanoscale等期刊发表论文24篇，授权国家发明专利1项。“生物标示物传感分析新原理新方法的研究”获2018年陕西高等学校科学技术一等奖（第一完成人），获得第十二届陕西省青年科技奖和陕西青年科技标兵称号，受邀在国际或国内学术会议做学术报告12次，培养毕业博士研究生2名，硕士研究生5名。本项目的研究成果为电化学发光分析提供了新的方法和思路，将极大地促进电化学发光成像分析研究的发展。