纳米针-电穿孔系统的构建及从个体细胞微创式提取蛋白的机制研究

In the field of bioelectronics and bioinformatics, researchers have been greatly attracted by biological system modeling and disease predictions based on the understanding of intracellular protein dynamic expression. Protein analysis relies on protein extraction from cells, yet technique for nondestructive protein extraction from many individual cells is still lacking, which limits the feasibility of dynamically tracking intracellular protein expression with single-cell resolution. Based on our previous studies, a hollow nanoneedle-electroporation system is proposed to extract protein mini-invasively from living cells, and provides protein detection with single-cell resolution. This project explores how to apply the nanoneedle coupled with electrical filed to penetrate cell membrane, so that intracellular proteins can be extracted through nanoneedles from living cells without harming cell viability. In addition, we explore how to employ antibody to detect the extracted protein in situ, so that protein content analysis with single cell resolution can be achieved. This technology is expected to provide protein extraction from the same cells at different time point in a high throughput manner, with single-cell resolution. This work holds great promise on facilitating the development of new tools for cellular signal detection and biomolecular sensing, which would be critically important for the field of bioelectronics.

掌握细胞内蛋白的动态表达信息，对细胞活动进行建模以及对疾病进行预测，是生物电子信息领域的研究热点。蛋白分析依赖于首先从细胞内提取出蛋白分子，但目前缺乏非破坏性地从大量活细胞内提取蛋白的技术，没能高效检测个体细胞内蛋白的动态表达。在前期研究的基础上,本项目拟构建空心纳米针-电穿孔系统，用于从大量活细胞内微创式提取蛋白，并对每个个体细胞内的蛋白内容进行区分性检测。本项目探索如何在不影响细胞活性的前提下，利用电场协助空心纳米针插破细胞膜，使得细胞内蛋白沿纳米针的内管道被引流到外部进行检测。同时探索如何利用特异性抗体原位捕抓所提取的蛋白，使得对蛋白检测内容具有个体细胞分辨性。此技术有望实现在不同时间点从同个细胞内反复进行蛋白提取分析，能够同时对大量细胞进行提取操作并对个体细胞的蛋白分析具有区分性。此研究有望为生物电子领域中关于细胞信号提取和生物分子检测等科学问题提供重要支持。

开发能掌握细胞内蛋白质动态表达的技术在基础生物学研究和生物医学工程中都至关重要。本项目成功构建了空心纳米针-电穿孔系统，用于从大量活细胞内微创式提取蛋白，并实现对个体细胞内的蛋白内容进行区分性检测。具体研究中，对空心纳米针头阵列的制备与表征进行了系统探索；通过将纳米针头阵列、微流器件及电极系统整合，成功构建了纳米针-电穿孔系统。对纳米针与细胞的接触界面进行了系统表征；对电场协助空心纳米针打破细胞膜进行了一系列实验探索；通过优化空心纳米针的尺寸等参数，充分证实了蛋白分子在纳米针管的流通性能；对纳米针长时间插破细胞膜的电场条件进行了优化研究。进一步，对纳米针实现蛋白捕获、细胞内蛋白提取及其生物安全性等进行了系统验证。此外，对纳米针-电穿孔系统的应用进行了延展，证实了其对细胞调控的可能，为其在组织及活体水平调控的应用提供了重要的实验依据。我们的研究成功建立起了能高效、安全、可控穿透细胞膜的技术平台，在面向细胞的药物释放、基因递送、癌症治疗等生物医学领域有广阔的应用前景。