基于细胞压缩的微流控单细胞电穿孔研究

Cell electroporation provides a simple yet powerful technique for the delivery of various exogenous molecules. However, the traditional electroporation technique remains some limitations, such as low efficiency, strong damage effects and poor cell viability. In this project, a novel microfluidic chip for single cell electroporation based on cell squeezing is proposed. By developing a new “cross-shaped” microfluidic chip and applying electrophoresis-assisted delivery of exogenous molecules, continuous single cell electroporation can be realized with high efficiency and good cell viability. Firstly, we will theoretically analyze the interactions between the cell and the external electrical field, and study the electroporation mechanism to build up a safe and effective experimental condition for single cell electroporation. Then, microfluidic chips will be designed, and fabricated using micro-fabrication facilities, and the single cell electroporation will be tested and evaluated experimentally on the fabricated devices. Finally, the application of the developed method for CRISPR/Cas9 gene editing will be studied. This project will pave the way for further understanding of the mechanism of cell electroporation, and will provide theoretical supports and basic experimental data for the applications of cell electroporation in biological research, drug discovery and gene editing.

细胞电穿孔技术可以方便的实现对多种外源分子的细胞转染，但传统的电穿孔技术存在穿孔效率低、副作用明显，细胞活性差等不足。本项目创新地提出一种基于细胞压缩的流动式微流控单细胞电穿孔方法，通过设计一种新型的“十字型”细胞电穿孔微流控芯片，并采用电泳辅助的外源分子转染技术，实现连续性、高效率、高细胞存活率的细胞电穿孔。本项目将首先建立物理模型，系统研究细胞与电场相互作用及细胞电穿孔机理，建立安全、高效的细胞电穿孔实验条件。然后，利用微纳加工技术，研制单细胞电穿孔微流控芯片，搭建实验平台，并进行单细胞电穿孔实验验证与分析。最后，利用构建的实验平台，研究单细胞电穿孔技术在CRISPR/Cas9基因编辑方面的应用。研究成果对进一步揭示细胞电穿孔的物理机理、促进细胞电穿孔技术在生物学研究、药物筛选、基因编辑等领域的应用，具有重要理论意义和应用价值。

细胞电穿孔技术可以方便的实现对多种外源分子的细胞转染，但传统的电穿孔技术存在穿孔效率低、副作用明显，细胞活性差等不足。在项目支持下，研究团队研究并建立了一种基于压缩通道电场聚焦原理的单细胞流式电穿孔方法和实验平台。基于建立的理论模型研究表明，这种结构可以将电场聚焦在数十微米的压缩通道内，采用1V量级电压即可形成10万伏/米的电场。在实验中，采用1-3Vpp的电压，可以让细胞有效电穿孔，成功实现了示踪分子PI的导入，电穿孔效率从传统的电转染方法的不足20%提升到90%以上，且细胞存活率高达90%。在此基础上，本项目提出了一种新的电阻抗检测表征电穿孔效果的方法，通过单细胞电穿孔过程中阻抗的变化来实时监测穿孔的效果。与示踪分子PI对单细胞电转染的实验结果对比结果表明，电阻抗方法较荧光信号检测方法，具有相当的灵敏度和更快的响应速度。.项目研究成果表明本项目提出的基于微流控的单细胞电穿孔，且边穿孔边检测的闭环方法，可以兼顾高效和低损伤的效果，用于电穿孔导入条件的快速优化。.在项目实施过程中，作为成果的一部分，获得中国仪器仪表学会技术发明二等奖。发表学术论文9篇，其中SCI文章7篇，申请中国发明专利6项，参与组织学术会议3次，参加国内外学术会议6次，培养培养博士生2名，硕士生2名。