基于等离子体质谱的单细胞分析新方法及其应用

Single cell analysis, reflecting heterogeneity of cells in biological system, is a significant research field in recent years and also a big challenge. This project aims to establish novel analytical methods by on-line combining microfluidic chip with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) detection for high throughput metal/metalloid elements analysis in single cell. The main contents include designing and fabricating microfluidic chip for single cell isolation; designing and optimizing the interface between microfluidic chip and ICP-MS; establishing microfluidic chip-ICP-MS on-line detection platform; and applying the established detection platform for quantification of trace elements, metallodrugs, metal-containing nanoparticles and cellular proteins based on elemental tags in single cell and for circulating tumor cells counting. The fulfillment of this project will provide effective and applicable analytical methodologies for cell heterogeneity analysis and metallomics study, provide important experimental data and information for metallodrugs screening, cytotoxicity of metal-containing nanoparticles, and early diagnosis of cancer. This project will also greatly promote the development of analytical chemistry, especially atomic spectrometry/mass spectrometry.

单细胞分析可以反映细胞群中的非典型细胞信息，是生命分析领域的研究热点，也是一项难度巨大的挑战。本项目拟构建微流控芯片与等离子体质谱(ICP-MS)在线联用分析体系用于单细胞中金属/类金属元素的高通量分析。主要研究内容包括采用3D打印技术设计并构建单细胞隔离的微流控芯片，研制芯片与ICP-MS的接口，建立简便、高效的芯片-ICP-MS在线联用分析方法，并将其用于单细胞中痕量元素、金属药物、含金属纳米粒子、元素标记细胞表面蛋白及循环肿瘤细胞计数等分析。该项目的完成不仅为微流控芯片单细胞分析平台与ICP-MS的联用奠定技术基础，为细胞异质性分析提供新的技术手段，还能为金属组学分析、金属药物筛选、含金属纳米粒子细胞毒性研究、癌症早期诊断等生物医学相关领域提供理论依据、实验方法和基础数据，而且对于分析化学学科(特别是原子光谱/质谱)的发展和学术水平的提高均具有重要的学术意义和广阔的应用前景。

在单细胞水平上对金属/类金属元素进行高通量分析检测可以获取细胞异质性信息，从而可以更精准地开展金属/类金属元素的细胞机制研究，也有助于针对性地开展药物筛选、疾病诊断及治疗研究；然而，单细胞痕量元素分析对分析化学家而言仍然是一项巨大的挑战。本项目设计并制作了基于商品化模块设计的新型3D液滴生成微流装置以及气包水液滴生成的微流装置；创建了液滴微流控芯片-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)在线联用新方法，实现了单细胞水平上痕量元素的定量测定；开拓了液滴分裂微流控芯片与时间分辨ICP-MS联用新方法，首次实现了单细胞水平上痕量元素的组形态分析。利用所构建的单细胞分析方法，开展了单细胞水平上细胞摄取痕量元素和含金属纳米粒子的行为研究，分析结果表明细胞具有明显的异质性。采用ICP-MS单细胞分析方法结合毒理学分析研究了纳米粒子的细胞毒性机制以及其和重金属Cd的共同生物效应。建立了元素标记单颗粒ICP-MS均相生物分析新方法，并应用于生物标志物的高灵敏检测。本项目的完成不仅为微流控芯片单细胞分析平台与ICP-MS的联用奠定了技术基础，为单细胞分析提供了新的技术手段和分析平台，还为金属组学分析、纳米粒子生物安全性研究及生物医学等相关领域提供了实验方法、技术平台和基础数据，这对于分析化学学科(特别是原子光谱/质谱)的发展和学术水平的提高，促进生物、医学等相关学科的发展均具有重要的学术意义，并具有广阔的应用前景。