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,Weallstartoutasasingletotipotentcellthatisprogrammedtoproduceamulticellularorganism.Howdoindividualcellsmakethosecomplexdevelopmentalswitches?Howdosinglecellswithinatissueororgandiffer?howdotheycoordinatetheiractionsorgoastrayinadiseaseprocess?Whydoseeminglyidenticalcellsresponddifferentlytoadrug?,Whysinglecell?,Single-nucleussequencing,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。,(Nicholasetal.,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,etal.Nature,498,2013),Singlecelltranscriptomes,单细胞表观遗传分析？Notyet!Bigchallenge,butpossible,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-cellanalysisheraldsanewerathatallowsomicsanalysis,notablygenomics,transcriptomics,epigenomicsandproteomicsatthesingle-celllevel.Itenablestheidentificationoftheminorsubpopulationsthatmayplayacriticalroleinabiologicalprocessofapopulationofcells,whichconventionallyareregardedashomogeneous.Itprovidesanultra-sensitivetooltoclarifyspecificmolecularmechanismsandpathwaysandrevealthenatureofcellheterogeneity.Italsofacilitatestheclinicalinvestigationofpatientswhenaverylowquantityorasinglecellisavailableforanalysis,suchasnoninvasiveprenataldiagnosisandcancerscreening,andgeneticevaluationforinvitrofertilization.Withinafewshortyears,single-cellanalysis,especiallywholegenomicsequencingandtranscriptomicsequencing,isbecomingrobustandbroadlyaccessible,althoughnotyetaroutinepractice.,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SingleCellAnalysis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ScienceDirect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。,CurrentResearchStatus,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。,TechnicalCharacteristics,产品介绍,Outlook,FirstGeneration,Outlook,SecondGeneration,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,WorkingPrinciple,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,WorkingPrinciple,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）。,WorkingPrinciple,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,WorkingPrinciple,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,Singlelivingcelldetectionoftelomeraseover-expressionforcancerdetectionbyanopticalfibernanobiosensor.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2010.25(6):p.1548-1552.,CaseStudy,案例二：光学检测单个细胞的乳酸释放水平：诊断早期癌症,Detectionofextracellularlactate,Diffusionprofilesofthereleasedlactase,（样品细胞：人乳腺癌细胞MCF-7）,CaseStudy,数据来源：Zheng,X.T.,H.B.Yang,andC.M.Li,OpticalDetectionofSingleCellLactateReleaseforCancerMetabolicAnalysis.AnalyticalChemistry(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。,Calibrationcurveforlactatedetection,CaseStudy,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.AnticancerEfficacyandSubcellularSiteofActionInvestigatedbyReal-TimeMonitoringofCellularResponsestoLocalizedDrugDeliveryinSingleCells.Small(IF:7.82),2034.8(17):p.2670-2674.,CaseStudy,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。,CaseStudy,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.,etal.,Bifunctionalelectro-opticalnanoprobetoreal-timedetectlocalbiochemicalprocessesinsinglecells.Biosensors&Bioelectronics,2011.26(11):p.4484-4490.,CaseStudy,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。,CaseStudy,ResearchAchievement,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。,PublicationList,Zheng,X.T.andC.M.Li,Singlecellanalysisatthenanoscale.ChemicalSocietyReviews(IF:24.89),2011.41(6):p.2061-2071.Zheng,X.T.,P.Chen,andC.M.Li,AnticancerEfficacyandSubcellularSiteofActionInvestigatedbyReal-TimeMonitoringofCellularResponsestoLocalizedDrugDeliveryinSingleCells.Small(IF:7.82),2012.8(17):p.2670-2674.Zheng,X.T.,etal.,Bifunctionalelectro-opticalnanoprobetoreal-timedetectlocalbiochemicalprocessesinsinglecells.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2011.26(11):p.4484-4490.Zheng,X.T.andC.M.Li,Singlelivingcelldetectionoftelomeraseover-expressionforcancerdetectionbyanopticalfibernanobiosensor.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2010.25(6):p.1548-1552.Zheng,X.T.,H.B.Yang,andC.M.Li,OpticalDete