单细胞光纳米光电检技术简介--V.ppt

单细胞纳米光电同步检测技术 在生命科学领域的应用,新的应用？,1,2,3,4,单细胞技术,研究案例,单细胞光电检测技术,5,We all start out as a single totipotent cell that is programmed to produce a multicellular organism. How do individual cells make those complex developmental switches? How do single cells within a tissue or organ differ? how do they coordinate their actions or go astray in a disease process? Why do seemingly identical cells respond differently to a drug?,Why single cell?,Single-nucleus sequencing,癌细胞：复杂的亚细胞群，意味着复杂的基因组以及复杂的拷贝数变异（CNV），单细胞测序让这些“复杂”变得“简单化”，从而“清晰化”。 通过对来自于同一基因组背景的100个单细胞分别测序，鉴定到了一个原始的基因扩增。,(Nicholas et al., Nature, 472, 2011),单细胞组学分析（Single-cell “omics” analysis）,单细胞转录组学分析揭示不同单细胞基因表达的巨大差别: Alex等利用脂多糖(LPS)刺激髓系来源的树突状细胞(BMDCs)，观察到单细胞在mRNA表达丰度和剪切模式方面的巨大差别，鉴定了137个刺激应答基因。 (Alex, et al. Nature, 498, 2013),Single cell transcriptomes,单细胞表观遗传分析？Not yet ! Big challenge, but possible, ,单细胞组学分析（Single-cell “omics” analysis）,单细胞组学分析（Single-cell “omics” analysis）,Cohen, Science, 322, 2008,Single-cell analysis heralds a new era that allows “omics“ analysis, notably genomics, transcriptomics, epigenomics and proteomics at the single-cell level. It enables the identification of the minor subpopulations that may play a critical role in a biological process of a population of cells, which conventionally are regarded as homogeneous. It provides an ultra-sensitive tool to clarify specific molecular mechanisms and pathways and reveal the nature of cell heterogeneity. It also facilitates the clinical investigation of patients when a very low quantity or a single cell is available for analysis, such as noninvasive prenatal diagnosis and cancer screening, and genetic evaluation for in vitro fertilization. Within a few short years, single-cell analysis, especially whole genomic sequencing and transcriptomic sequencing, is becoming robust and broadly accessible, although not yet a routine practice.,研究单细胞分析的论文调查: 据不完全统计：2013年发表在Cell上的关于Single Cell Analysis的论文有47篇，发表在Nature上的有8篇，发表在Science上的有4篇。 本图数据是根据Science Direct数据库中生物、医学、药理学等相关领域内有关单细胞分析近五年来的论文数量统计得来。 单细胞研究成为热门方向。,Current Research Status,多学科技术综合 采用独立开发的光,机,电,生,化一体传感技术。 可检测单个活细胞 实时检测单细胞内代谢过程中生化指标变化。 亚细胞水平光电同步检测 可在纳米尺度定位定量检测亚细胞及分子水平的光/ 电信号。 给药和药效检测同时进行 可外部给药,同时检测药物疗效。 微创检测 能够不破坏细胞结构，不损伤细胞来实现对活细胞内多种信号分子、生物标志物、酶活性、信号传递等的实时和原位检测。,Technical Characteristics,产品介绍,Outlook,First Generation,Outlook,Second Generation,Structure,整体结构:光源单元，微操系统，细胞定位系统，光/电学检测单元及数据采集与分析单元等,Working Principle,生物素标记的抗端粒酶+端粒酶结合,磷酸酶共轭+磷酸酶,抗端粒酶-纳米探针尖,纳米探针穿刺到细胞里面,抗端粒酶+端粒酶结合,光学检测：纳米探针刺入待测细胞，探针尖端的修饰物与待测目标相结合,通过激发光来激发与目标标记物相结合的荧光物质，导致标记物发射荧光。光学系统收集这些荧光信号并进行分析处理。,范例:,光学信号,激发光,待测目标物质,光信号检测示意图,Working Principle,电学检测：纳米探针靠近(或者刺入)待测细胞，通过工作电极检测待测目标物质的电流信号。根据浓度-电流校准曲线，可以推算出细胞所释放出的物质的浓度。 如：以PB（普鲁士蓝）修饰后的纳米探针作为工作电极，配合参考电极和对电极及电化学工作站来检测细胞内H2O2分解释放、氧化还原状态和硫醇水平的电流信号。根据得到的电流响应的值，可以推算出细胞所释放出的H2O2的浓度。,电光纳米探针在MCF10A（a，d，g），MCF7（b，e，h）和MCF7/HER2（c，f，i）细胞内检测的H2O2分解释放到细胞外空间（a-c）的动力学和细胞内氧化还原状态（d-f）的实时变化或还原的硫醇水平（g-i）。,Working Principle,工作电极,电信号,微对电极(Pt),微参比电极 (Ag/AgCl),释放生化物质 （待测目标物质）,电信号检测试示意图,Working Principle,案例一：光学探测单个活体癌细胞的端粒酶表达水平：癌变分析,结果：通过光学检测单个活体癌细胞的端粒酶过度表达，发现荧光信号远远高于阴性hMSC。使用该设备可以在单个细胞水平，在线观测端粒酶的变化情况。为细胞癌变的早期分析起到非常好的引导作用；同时该设备还可以用来检测其它低表达蛋白。,加入DDAO-phosphates 后，单个癌细胞（MCF-7）及正常细胞（hMSC) 的荧光变化对比曲线,不同细胞群内单个细胞的荧光变化统计图，包括癌细胞（MCF-7），正常细胞（hMSC),数据来源：Zheng, X.T.etc, Single living cell detection of telomerase over-expression for cancer detection by an optical fiber nanobiosensor. Biosensors & Bioelectronics(IF:5.44), 2010. 25(6): p. 1548-1552.,Case Study,案例二：光学检测单个细胞的乳酸释放水平：诊断早期癌症,Detection of extracellular lactate,Diffusion profiles of the released lactase,（样品细胞：人乳腺癌细胞 MCF-7）,Case Study,数据来源：Zheng, X.T., H.B. Yang, and C.M. Li, Optical Detection of Single Cell Lactate Release for Cancer Metabolic Analysis. Analytical Chemistry (IF:5.69), 2010. 82(12): p. 5082-5087.,研究结果发现在新陈代谢过程中，癌症细胞的细胞外的乳酸水平要明显高于正常细胞，通过监测细胞的乳酸水平，可有效诊断细胞是否癌变。该设备为癌细胞发展的早期诊断提供了一个强大的检测手段。,Calibration curve for lactate detection,Case Study,案例三：单细胞内亚细胞细水平局部给药的实时检测：研究抗癌疗效,纳米探针给单个细胞局部给药示意图,RGO通过静电作用聚焦在纳米探针端面,抗癌药物： -lap,探针尖端放大示意图,数据来源：C.M. Li,etc. Anticancer Efficacy and Subcellular Site of Action Investigated by Real-Time Monitoring of Cellular Responses to Localized Drug Delivery in Single Cells. Small (IF:7.82), 2034. 8(17): p. 2670-2674.,Case Study,亚细胞特地供给-lap药物位置图,在细胞不同位置进行-lap供给后，检测到的ROS活性对比,细胞核周围 ：位置2,细胞质 ：位置1,细胞核 ：位置 3,加入抗癌药-lap 到单细胞内的不同位置，检测到的活性氧种类（ROS）含量和Ca2+ 均显示细胞核周围为药物的起效位置，该设备不仅实现了单个细胞亚细胞水平定向给药，而且为优化给药位置，分析药物起效机理提供极佳的平台，对药物筛选及 药理分析具有极大的意义。,Case Study,过氧化氢浓度和电流校准曲线图,案例四：光电实时探测单细胞内局部生化过程：,光电纳米探针在K3Fe(CN)6溶液中的测试结果,数据来源：Zheng, X.T., et al., Bifunctional electro-optical nanoprobe to real-time detect local biochemical processes in single cells. Biosensors & Bioelectronics, 2011. 26(11): p. 4484-4490.,Case Study,细胞核内和细胞边缘微电流对比,细胞核内和细胞边缘荧光激发对比,细胞核内,细胞边缘,光电多功能纳米探针在研究动态单细胞活性过程中，不仅实时监测细胞内荧光变化水平，同时实时定量的测量出在相同位置释放出H2O2时的电流大小。光电同时检测的结果显示，与正常细胞相比，癌症细胞具有较高的氧化反应同时也改变了抗氧化水平。这表明细胞恶性肿瘤与氧化应激的强度相关,较高的抗氧化剂水平可能会造成耐药性。这种独特结构的光电同步纳米探针检测仪，适用于单细胞水平的生化反应通用监控，在纳米级的环境中研究化学动力学，阐明关键的生物学过程。,Case Study,Research Achievement,基于本设备进行了多方面深入的研究，目前已经取 得 了一系列研究成果。 发明专利3项，SCI科技论文6篇（影响因子最低4.57，最高24.89），投稿论文3篇。,Publication List,Zheng, X.T. and C.M. Li, Single cell analysis at the nanoscale. Chemical Society Reviews(IF:24.89), 2011. 41(6): p. 2061-2071. Zheng, X.T., P. Chen, and C.M. Li, Anticancer Efficacy and Subcellular Site of Action Investigated by Real-Time Monitoring of Cellular Responses to Localized Drug Delivery in Single Cells. Small (IF:7.82), 2012. 8(17): p. 2670-2674. Zheng, X.T., et al., Bifunctional electro-optical nanoprobe to real-time detect local biochemical processes in single cells. Biosensors & Bioelectro