SERS微液滴技术检测单细胞代谢物

单细胞代谢组学能直观反映细胞动态功能变化，它是揭示细胞响应化学和环境应激的重要途径。吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的徐抒平（点击查看介绍）、徐蔚青（点击查看介绍）团队开发了一种表面增强拉曼散射（SERS）结合微流体液滴的检测平台，通过构筑多功能的磁性SERS增敏基底实现了单细胞水平上多种代谢物的免标记、同时检测。

细胞异质性表现在单个细胞基因组学、表观遗传学、蛋白质组学等多个方面。各种单细胞分析技术的不断涌现正是为追寻细胞异质性，并从单细胞角度理解细胞结构和功能。近年来，基于液滴的微流体技术引起了越来越多的研究关注。该技术可将单个细胞封装在一个微升级的液滴中，有效地避免了周围环境的干扰，实现对单个细胞的精准研究。

单细胞代谢小分子含量很低（皮摩级），结构多样，且具有快速的代谢动力学。因此，这些代谢物不易被扩增或标记，这使得单细胞水平上测定代谢物一直是个难题。吉林大学的徐抒平、徐蔚青团队发展的SERS微液滴检测平台解决了上述问题。SERS是一种无损、免标记、指纹分析技术，它能够全面地反映单个细胞成分信息，即“拉曼组学（Ramanomics）”。SERS检测技术依赖于SERS增敏基底的设计。该研究团队将磁珠（Fe₃O₄）与金属纳米粒子（AgNPs）复合，构筑了一类可自发聚集的微球SERS基底（Fe₃O₄@AgNPs，图1）。将单个细胞和Fe₃O₄@AgNPs同时包裹进油包水型的液滴，共同孵育90 min。细胞分泌的多种代谢物直接吸附在Fe₃O₄@AgNPs微球上。实验中采用400 nm的磁球，可有效避免SERS微球被细胞内吞。Fe₃O₄的磁性促使微球随时间产生自发聚集，这一聚集态的形成对代谢物的SERS信号放大产生了贡献（5倍）。该SERS-微液滴分析平台可同时测定单细胞的三种代谢物：丙酮酸、乳酸和三磷酸腺苷。该检测方法具有如下特色：（1）实现了单细胞代谢物的免标记、免洗、无损测定。该方法可避免许多标记方法带来的外源分子对细胞以及细胞代谢过程的影响。（2）实现了三种细胞代谢物同时检测。（3）采用磁驱动的双重增强结构，其检测灵敏度可达1.0×10^-15 M，满足了单个细胞微量代谢物的检测要求。（4）Fe₃O₄@AgNPs在液滴中完成一系列动态自发的操作，包括扩散、吸附平衡和富集，这使得该检测体系无需进行后续分离，简化了实验操作。

图1

该SERS-微液滴检测平台优异的性能使其可应用于多种细胞（肺癌、肝癌、乳腺癌以及正常肝细胞）的单细胞代谢物研究。通过同时检测多种代谢物，可对这几类细胞依据其代谢物进行对比和分类（图2）。鉴于该SERS-微液滴分析技术超高的灵敏度、无损、免标记、免洗、同时测定多种代谢物的特点，有望发展成为一类研究单细胞代谢组学的有力工具。

图2

这一成果近期发表在美国化学会杂志Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是吉林大学博士生孙丹，通讯作者为徐抒平教授。文章中的微液滴制备以及拉曼数据采集是在吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室完成，细胞培养是在吉林大学分子酶学工程教育部重点实验室施维教授课题组完成。该工作受国家自然科学基金（21873039, 21573087, 21573092）资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Label-Free Detection of Multiplexed Metabolites at Single-Cell Level via a SERS-Microfluidic Droplet Platform

Dan Sun, Fanghao Cao, Yu Tian, Aisen Li, Weiqing Xu, Qidan Chen, Wei Shi, Shuping Xu*

Anal. Chem., 2019, 91, 15484-15490, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03294

导师介绍

徐抒平

https://www.x-mol.com/university/faculty/75678

徐蔚青

https://www.x-mol.com/university/faculty/75679