生物芯片(生物芯片的概念)

生物个体的细胞基因

都是独特存在的

随着细胞的进化与环境因素的干扰

细胞基因还可能发生变化

这种特定的基因改变

可能会导致细胞产生特殊的行为

例如，EGFR基因突变

可能会导致正常细胞行为失控

并逐渐形成肿瘤细胞

虽然临床上针对EGFR基因突变

发展了很多靶向药物

但随着治疗的进行

肿瘤细胞经常会出现耐药性

造成药物失效

使本来处于抑制状态的肿瘤复发

检测肿瘤细胞是否存在EGFR突变

并推断其对靶向药物的耐药性

可以有效指导临床治疗方案的制定

针对在活细胞内基因突变检测与细胞耐药行为分析，我校生物与医学工程学院和生物医学工程高精尖中心常凌乾课题组开发出一种新型活细胞检测平台（Single Living Cell Analysis Nanoplatform，下称 SLCA 平台），借助纳米电递送技术，该平台可将一种用于原位信号放大的多米诺荧光探针，高效递送到活细胞内，从而在单细胞水平检测细胞内的基因突变。

同时，该研究中基于微孔阵列的纳米芯片，拥有细胞寻址的能力，它能对肿瘤细胞进行耐药性原位分析。

日前

Nano Letters刊登了常凌乾课题组

有关单细胞生物芯片的研究论文

并被选为当期的内封面文章

常凌乾教授为论文通讯作者

第一作者是北航董再再博士

神奇的“多米诺”探针

SLCA 平台（图1）由用于细胞基因检测的多米诺探针和用于向细胞内递送探针并为细胞提供地址的微孔阵列芯片组成。多米诺探针是通过将成对的“发卡”形状的DNA序列，利用碱基互补配对原则组装形成紧密的DNA长链。在有突变的基因存在下，多米诺探针能够与突变的基因结合，并触发探针上的一个“发卡”DNA链发生置换反应，同时使一个荧光素发出荧光，这就像是推倒了多米诺骨牌的第一块牌。随后，被置换下来的DNA链又继续置换多米诺探针上的下一个相邻的“发卡”DNA链，最终将整个多米诺探针上的DNA链置换下来，探针上的荧光素都发出荧光。因为每个“发卡”DNA链距离很近，整个反应就像多米诺骨牌一样，一旦推倒其中一块牌，其相邻的牌就会逐个倒下。因此，作者将这种探针命名为“多米诺”探针。与传统的探针相比，这种探针的反应速度加快了4倍，荧光信号增强了10倍。

图1. 单个活细胞分析（SLCA）纳米平台原理示意图。（a）基于微孔阵列的纳米芯片在单个活细胞中检测靶标RNA的原理。（b）多米诺探针与靶标RNA结合前（OFF）后（ON）的构象变化示意图。（c）纳米芯片用于将多米诺探针递送到活细胞中，并提供每个细胞的位置信息。（d）基于微孔阵列的纳米芯片的分层装配示意图。

芯片上的纳米孔

为了能高效地将这种多米诺探针递送至细胞内，常凌乾课题组设计了纳米孔芯片技术，对细胞施加聚集后的电场，使细胞膜上的磷脂双分子层发生重排形成通道。同时，多米诺探针在电场的作用下发生电泳动，经由纳米孔与细胞膜上的通道进入至细胞内，并与细胞内的突变基因结合，触发“多米诺”反应。通过检测细胞的荧光，即可判断细胞是否发生了突变（图2）。

图2. 采用单个活细胞分析纳米平台检测细胞内的基因突变。 肺癌细胞H1975（L858R突变），HCC827（19外显子缺失突变）和A549（野生型）EGFR L858R和19外显子缺失突变的荧光图像。Hoechst 33258，细胞核染料。比例尺：10 μm。

此外，针对每个细胞基因和行为都不同的特性，这种芯片赋予了每个细胞可寻址的能力。每个位于孔中细胞都具有一个特定的地址，如此，即使芯片被移动了位置，还能根据特定的地址找到细胞（图3）。

图3. 可寻址的微孔阵列及排布的单个细胞。绿色荧光：Calcein AM染色的细胞。比例尺：100 μm。

有望用于药物治疗肺癌

作者利用该平台研究了肺癌患者临床样品中单个活细胞的基因突变，揭示了EGFR突变（21外显子L858R和19外显子E746-A750缺失突变）与相应的靶向药物耐受性之间存在明显的正相关性（图4）。该研究工作中提出的纳米平台实现了原位的细胞培养，细胞内基因探测以及以时空可控的方式研究细胞行为，在探究单细胞异质性的研究中具有较大的应用前景，并有助于进一步明确个性化药物治疗方案。

图4. 原代肿瘤细胞样品中EGFR RNA突变检测和耐药性分析。（a）采用SLCA纳米平台检测患者L1原代肿瘤细胞中EGFR L858R突变RNA的荧光图像。比例尺：100 μm。（b）和（c）采用SLCA纳米平台从具有EGFR L858R突变（b）或19外显子缺失突变（c）的原代肿瘤细胞样品中检测到的突变细胞阳性率。（d）和（e）分别对EGFR L858R突变（d）或19外显子缺失突变（e）的原代肿瘤细胞样品进行单细胞基因分析的qPCR结果。（f）和（g）EGFR突变靶向药物厄洛替尼和吉非替尼对EGFR L858R突变（f）或19外显子缺失突变（g）的原代肿瘤细胞的抑制作用。

文章第一/通讯单位为

北航生物医学工程高精尖创新中心

北航生物医学工程学院

合作单位包括

北京大学附属肿瘤医院

首都医科大学附属北京世纪坛医院

通讯作者

2016年博士毕业于美国俄亥俄州立大学生物医学工程系。曾于2017年9月至2018年12月在美国北德克萨斯大学(University of North Texas)生物医学工程系担任助理教授(Tenure Track)。入选2017年中组部高层次海外人才计划。研究方向聚焦于生物微纳芯片，近五年发表SCI检索、同行评议的期刊论文60余篇，其中一作及通讯论文30余篇，如 Nature Nanotechnology, Research, Nano Letters, Small, Trends in Biotechnology, Biosensors&Bioelectronics等。已申请和已授权中美专利共14项。主编英文专著1部（Springer），书章节5章。获得俄亥俄州立大学博士最高奖Presidential Fellowship，北德克萨斯大学RSG Awards, MINE 2018“杰出青年科学家”提名等荣誉。兼任中国生物医学工程学会纳米医药分会青年委员等，以及多个SCI检索的国际期刊副主编或编委，如Biomedical Engineering Online、Biosensors、Sensors等。并在2020年联合华西医院研发的病原体核酸快速检测平台获得诸多关注。

第一作者

2019年博士毕业于中国科学院化学研究所，现为北京航空航天大学生物与医学工程学院博士后，合作导师为常凌乾教授。董再再主要从事细胞微纳米芯片和探针设计相关的应用研究工作，在细胞标志物检测分析领域具有较为丰富的工作经验。已在Nano letters, Analytical Chemistry，Microsystem & Nanoengineering，Advanced Healthcare Materials等生化分析和微纳米技术领域的权威期刊发表SCI学术论文共14篇，书章节1章，申请中国专利共6项，其中已授权3项。

课题组简介

北航常凌乾教授课题组研究方向主要涉及新型的微纳芯片实现单细胞和单分子的操控和检测，应用于癌细胞筛查和肿瘤治疗、再生医学等研究。（1）设计新型的细胞纳米电转芯片技术，实现单细胞精确操控和分子导入；（2）发展细胞检测探针，实时解析细胞基因调控和细胞行为；（3）设计应用全植入式芯片，实现在体细胞和组织器官的局部基因导入和疾病治疗；（4）分子快速检测生物芯片，如新冠病毒及多种病原体检测生物芯片。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c00199

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出品 | 航小萱®工作室

素材来源｜常凌乾课题组

编辑 | 孟晔 史越 郑琦