玻璃毛细管纳米孔单细胞操控与分析化学研究

In recent years, artificial nanopore-based analytics have emerged as powerful and ultrasensitive sensing platforms/methods for DNA sequencing and single molecule (DNA and protein, etc.) sensing applications, and even envisioned as promising and powerful platforms or methods for potential versatile applications and studies in chemistry, biology and life sciences. Combined nanopore research with cell studies will be very valuable for cell researches, however attempts so for are very limited as it is severely hindered by the practical difficulty in nanopore single-cell manipulation and the complexity of cell systems. Among other artificial nanopores, glass nanopores are attractive for potential single-cell manipulation and studies because of their unique conical shape. Based on our recent single glass nanopore studies, we plan to exploit the single glass capillary nanopore-based platform for single cell surgery and analytical chemistry studies. In the research project, a few glass nanopore-based electrochemical cargo delivery methods would be created for controllable delivery of (ultra)small amount of cargos (of interest), such as nanoprobes and vesicle systems, into single cells, and further analytical chemistry studies will be carried out. The proposed research might expand nanopore research fields into cell studies and also enrich powerful research tools for single-cell studies.

纳米孔传感分析技术作为一种新兴独特的单分子检测方法与技术，自诞生以来已在DNA测序和生物大分子（如：DNA和蛋白质）传感和相互作用研究方面引起了科学家的极大关注和研究兴趣，并逐渐发展成为可以在单分子水平开展化学、生物和生命科学研究的新兴技术平台。但在与细胞研究相结合、开展纳米孔单细胞操控与分析化学研究方面，虽然其意义重大，但由于研究难度以及体系的复杂性，到目前为止国际上仍鲜有相关的研究报道和实质性进展。鉴于玻璃毛细管电极具有独特的圆锥状尖锐头部（可用于单细胞操控实验），本项目拟在前期玻璃毛细纳米孔传感研究工作的基础上，开展玻璃毛细纳米孔单细胞操控与分析化学研究。力争掌握若干种基于玻璃毛细管纳米孔的单细胞极微量物质（如：纳米结构探针和泡囊体系）的可控递送操控电化学技术、并选取若干重要研究体系开展单细胞分析化学基础研究。通过项目实施，拟拓展纳米孔单细胞研究新领域并发展单细胞分析化学研究新手段。

开展纳米孔单细胞操控与分析化学基础研究意义重大、且困难重重。本项目主要在课题组前期玻璃毛细纳米孔生化传感研究工作的基础上，将玻璃毛细管纳米孔传感检测技术与单细胞研究相结合，选取若干重要细胞研究体系开展纳米孔单细胞操控与分析化学前沿基础研究。项目期间，在玻璃纳米孔单细胞显微电化学操控与谱学研究装置/平台的搭建、功能化玻璃毛细管纳米孔传感界面设计/制备、细胞传感体系的选择与构建、以及纳米孔单细胞操控与生化传感分析化学研究方面取得了一些令人满意的阶段性研究成果，开发了若干单细胞胞内重要生化物质检测的纳米孔传感分析新方法。成功将玻璃毛细管纳米孔单细胞操控用于单细胞的定量/半定量的分析化学研究，实现了电刺激诱导细胞凋亡中单细胞胞内能量物质ATP的纳米孔检测及含量分析，以及酶功能化修饰玻璃纳米孔对饥饱状态下单细胞内的葡萄糖含量变化的动态实时检测。项目的研究与成果具有重要的基础科学意义，丰富了纳米孔研究的应用领域，并能为定量生物学的单细胞研究提供强有力的研究工具和平台；同时，研究结果还在单细胞水平揭示了健康细胞和癌细胞在光热、电刺激等死亡过程中的分子应激响应差异，为下一步癌症诊疗新技术的开发奠定了单细胞研究基础，具有重要的科学意义和应用前景。