高通量数字化单细胞阵列核酸分析平台研究

Existing studies have shown that not only cancer cells have accumulated high somatic mutations in the course of development, but actually, all cells in our body have different degrees of gene specificity. This has been widely recognized by scientific researchers. However, current methods for nucleic acid analysis still takes cell population as the main research object, neglecting the individual differences among cells, which is difficult to meet the needs of the emerging biological and biomedical research. In view of the above-mentioned problem and combining with the research features of our laboratory, this project proposes a microfluidic digital single-cell assay for high-throughput nucleic acid analysis. By employing selective droplet generation technique in coupling with fence-based hydrodynamic capturing, microfluidic digital single-cell assay can be established. With loop mediated isothermal amplification for nucleic acid analysis, it will open up a new avenue for mutation screening of circulating tumor cells from a population of mononuclear cells with reduced analysis time and enhanced throughput. The established method will provide a universal platform for high-throughput single-cell nucleic acid analysis. This study is of great scientific value for high throughput single cell analysis, and promotes the development of biophysics, cell biology, medicine and related interdisciplinary development and personnel training.

现有研究表明，不仅癌细胞在发生发展过程中积累了较高的体细胞突变，事实上，我们身体内的所有细胞都有不同程度的基因独特性，这一点目前已获得科学研究者的广泛共识。然而，现有的核酸分析仍然以细胞群体为主要研究对象，忽略了细胞间的个体差异，难以满足日新月异的生物学与医学研究需求。针对上述问题，结合本实验室研究特色，本项目提出高通量数字化单细胞阵列核酸分析平台研究：采用选择性微流控液滴发生技术实现单细胞包裹，结合基于栅栏结构的水力捕获技术，构建数字化单细胞分析阵列，以环介导等温扩增为分析手段，实现外周血单核细胞高通量、快速、准确的核酸分析与诊断，为CTC循环肿瘤细胞突变筛查提供一个创新途径，建立一个具有普适意思的高通量单细胞核酸分析平台。本课题对于高通量单细胞分析具有重要科学价值，并促进生物物理学、细胞生物学、医学及其相关交叉学科的发展和人才培养。

现有的核酸分析仍然以细胞群体为主要研究对象，忽略了细胞间的个体差异，难以满足日新月异的生物学与医学研究需求。针对上述问题，结合本实验室研究特色，本项目提出基于微流控芯片技术的高通量数字化单细胞阵列核酸分析平台研究。在本课题的研究中，我们首先建立了一种基于微流控液滴阵列的核酸检测平台，通过流体力学原理捕获液滴，实现液滴的芯片内存储并构建二维液滴阵列；进一步的，我们建立了一种基于磁驱动的阵列式核酸检测平台，集成细胞裂解、DNA纯化和LAMP扩增等功能，并成功将该平台应用于常见肠道致病菌的快速检测；进一步的，我们建立了一种卡片式微流控数字化核酸检测平台，并成功应用于非小细胞肺癌细胞NCI-H1975的突变筛查；最后，我们提出一种高度集成的卡片式微流控核酸检测平台，能够进一步实现从进样、核酸提取、扩增到荧光检测的全流程自动化核酸检测。上述研究成果对于高通量单细胞分析具有重要科学价值，并具有广泛的应用前景，同时促进生物物理学、细胞生物学、医学及其相关交叉学科的发展和人才培养。