基于微流控芯片单细胞活性氧ROS传感检测新方法

For early stages of serious diseases, single cell level diagnosis is of great importance owing to pathological changes of thimbleful cell. The project aim at constructing a micro-fluidic chip that can real single cell trapping with micro-network architecture via photolithography, and the micro-fluidic chip can provide a non-invasive, and three-dimensional attachment/growth environment for cell growth. Meanwhile, integrating microarray electrode chip with the function of single cell culture and detection on micro-fluidic chip will be accomplished. Response signals of ROS released form single cell level on the ITO microelectrode array can be obtained combinated with microelectrode array signals and pattern recognition method. Based on the data mining, the statistical theory and neural network theory, the quantitative expression results were obtained, realizing non-invasive, real-time and non-labeled ROS detection on single cell level, as well as providing an important theoretical basis for the single cell metabolomics, the interaction between small molecules and the regulation of cell function and oxidative stress. This project can promote development of new methods, new devices and new technologies of single cell level sensors, which are of great significance in both academic and clinical applications.

对于疾病特别是重大疾病的早期阶段，只有极少量的细胞发生病变，在单细胞水平上的诊断尤为重要。项目拟通过构建一种基于光刻技术具有细胞尺寸大小的微井作为单细胞捕获的微网络结构，结合微流控芯片可以为细胞生长提供无创、实时三维贴附/生长环境，同时微流控芯片上集成单细胞培养检测功能一体化的微阵列电极芯片。以微电极阵列电信号、结合模式识别计算方法，获取ITO微电极传感阵列在单细胞水平上活细胞ROS无标记、无创、实时传感检测ROS分子的响应信息。通过响应数据信息挖掘，依据统计理论与神经网络理论计算得到定量表达结果，实现单细胞水平上活细胞ROS无标记、无创、实时传感检测，可为临床上单细胞代谢组学、小分子之间相互协同与细胞功能调控、氧化应激等提供重要的理论基础。通过本项目可推动单细胞水平新型传感器新方法、新器件和新技术的研究和发展，在学术上和临床应用技术方面均具有重要意义。

项目围绕研究目标，针对单细胞ROS传感检测，通过Comsol等软件对微流控芯片的设计进行了探索，在仿真基础上，利用微纳加工技术制备出具有固定培养单细胞微井结构的ITO微电极阵列芯片，实现对单细胞的操控，建立了细胞三维贴附生长与ROS原位实时检测新方法。建立了结合微纳结构催化界面与ITO微阵列电极芯片的微流控单细胞ROS传感检测系统，并阐明了其传感检测作用机制。对界面敏感材料进行了构建，制备筛选了一系列具有良好稳定性，导电性和催化活性的界面敏感材料，并通过各种表征手段对界面材料的形貌、晶格结构等进行了深入分析。对ROS催化机制进行了研究，通过关联催化界面微纳结构与电催化ROS性能关系，在材料分子水平上，分析材料形貌晶格结构对催化活性影响的变化规律，分析了微纳界面催化检测ROS过程中的电子转移，并提出了相关反应过程机理。同时，结合密度泛函理论分别计算了催化过程中的吸附结合能以及反应路径与吉布斯自由能变化，从理论上深入阐述微纳结构催化界面对于ROS催化作用机制。项目研究发表高水平SCI收录学术论文17篇，申请发明专利2项，培养博士研究生2名、硕士研究生3名，2名学生获得重庆市优秀博士论文。对照项目目标任务，项目达到并超额完成项目目标及任务。