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浙江大学罗英武、赵俊杰、曾浔Angew:给细胞贴标签的新材料——可用于质谱流式细胞技术的金属螯合卟啉框架纳米颗粒

浙江大学罗英武教授、“百人计划”研究员赵俊杰、“百人计划”研究员曾浔合作开发了一类可螯合金属的卟啉框架纳米颗粒,突破了质谱流式细胞技术传统标签材料种类有限的瓶颈,取得了比金属螯合聚合物商用标签材料高29%的检测灵敏度,并成功用于人外周血复杂细胞样本中异质群体的高通量多参数分析。相关成果发表于国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition。论文第一作者是浙江大学化学工程与生物工程学院博士生陈缘


在单细胞水平上对基因和蛋白质进行高通量定量分析已经成为血液学、肿瘤学和免疫学研究及相关重大疾病精准诊疗的重要技术手段。与荧光流式细胞术不同,基于飞行时间的质谱流式细胞术(CyTOF)因采用金属同位素作为标记信号源,而具有更高的分辨率和更高维的多参数化检测的优势,所以已迅速发展为单细胞蛋白检测的先进工具。


但目前CyTOF技术也并非完美:CyTOF理论上具有135个检测通道,可以高分辨的区分原子质量为75至209的金属同位素,但由于缺乏合适的标记材料,超过60 %的同位素通道尚未得到应用。此外,由于目前商业主要应用的金属螯合聚合物(MCP)标签载体的金属负载量较低,因而还不能对蛋白表达丰度低的体系进行高灵敏度的检测。目前这些问题限制了CyTOF技术在单细胞多参数灵敏检测上的广泛应用。

图1. 基于 MPF 的 CyTOF 标记的结构和合成过程示意图


近日,罗英武教授、赵俊杰研究员和曾浔研究员首次构建了一类基于介孔卟啉框架(MPF)纳米颗粒的新型金属标记体系,实现了质谱流式技术的单细胞检测应用场景。该研究工作以单羧酸作为调制剂,通过水热合成得到了粒径<40 nm、粒径分布<0.104的PCN-224纳米颗粒。通过表面PEG化修饰提升了PCN-224 纳米颗粒在水溶液中的稳定分散,并有助于减少与蛋白质的非特异性相互作用。以此方法构建的介孔卟啉纳米颗粒,可通过较温和的条件实现卟啉金属化,从而将CyTOF所需的金属离子负载到卟啉框架载体中。最后通过偶联剂在其表面接枝抗体,就完成了CyTOF标签的构建。该项工作所制得的卟啉框架纳米颗粒载体能够实现Sn、Pt、W、Pd等金属的负载,而这其中很多元素此前都还未能被用于CyTOF检测;此类材料具有金属负载效率高、金属分布均匀、抗体接枝率高等特点,在pH中性的缓冲液中表现出良好的分散稳定性和化学稳定性。

图2. 基于MPF的CyTOF抗体标签的结构表征


该研究对基于MPF的CyTOF标签在不同浓度下的标记特异性和灵敏度进行了评估,结果表明该研究所开发的CyTOF标签非特异性结合程度低,能够特异性识别混合细胞中的阳性细胞群,并且检测灵敏度相比商业MCP金属标签提高29%。此外,这些CyTOF标签新材料在与商业MCP标签对于混合细胞的共染中表现出良好的兼容性,并实现了对外周血中复杂细胞样本进行有效的多标靶检测。

图3. 基于MPF的CyTOF标签对细胞染色的标记特异性、灵敏度、与商业MCP抗体标签的兼容性以及与商业抗体标签联用对外周血复杂细胞样本的多标靶检测


该工作为质谱流式技术提供了一种新的标签材料设计策略,将非镧系金属如Pd、Sn、W和Pt成功应用到CyTOF检测中,有望成为显著扩大CyTOF检测通道的有力工具。与商业MCP标签相比,该研究所报道的基于MPF的标签材料具有更高的灵敏度和相当的特异性。此外,MPF标签还与商业CyTOF标签兼容,能对复杂细胞样本的异质群体进行高通量多参数分析。这项研究对于血液学、肿瘤学和免疫学研究及相关重大疾病精准诊疗的发展具有积极意义。


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Metal-Chelatable Porphyrinic Frameworks for Single-Cell Multiplexing with Mass Cytometry

Yuan Chen , Guocan Wang , Ping Wang , Juan Liu , Hongyu Shi , Junjie Zhao* , Xun Zeng *, Yingwu Luo*

Angew. Chem. Int. Ed.2022, DOI: 10.1002/anie.202208640


导师介绍


罗英武,现为浙江大学求是特聘教授,国家杰出青年基金获得者,化学工程与生物工程学院聚合与聚合物工程研究所所长,国家自然科学基金会评专家、加拿大国家基金评委。长期从事高分子化工与功能高分子材料的研究与开发工作,承担国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、国家973课题等重要国家级项目10余项,企业重大横向项目10余项,其在活性/可控自由基乳液聚合领域研究有广泛的国际影响,是该领域最重要的国际研究团队之一。在化工与高分子材料重要国际期刊中发表高水平论文100余篇,获授权发明专利60余项,其中国际专利3项,5项专利已实现转化,多项技术得到工业应用,为相关企业创造了重大的经济效益和社会效益。研究成果获教育部自然科学一等奖、浙江省科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。


罗英武

https://www.x-mol.com/university/faculty/21687 

教师主页

https://person.zju.edu.cn/yingwuluo 


赵俊杰,浙江大学“百人计划”研究员、博士生导师,化学工程联合国家重点实验室固定成员。入选国家级青年人才项目、浙江省杰出青年基金。主要研究先进纳米制造方法,设计构建各类功能材料与界面,探索表界面反应过程调控、集成电路制造、膜分离等应用。主持国家级基础研究项目及企业技术合作开发项目8项。在JACS、Angew. Chem.、Engineering等期刊发表论文30余篇,获得美国电化学学会年会、欧洲化学气相沉积大会等国际会议特邀报告的邀请。入选美国真空学会薄膜专业委员会委员,担任Advances in Materials Science and Engineering客座主编和Transactions of Tianjin University等学术期刊青年编委。获得浙江大学青年教师教学竞赛二等奖、浙江大学化工学院学生最喜爱的十佳教师、 浙江大学竺可桢学院十佳导师等奖项。


教师主页:

https://person.zju.edu.cn/jjzhao 


曾浔,浙江大学医学院附属第一医院,传染病国家重点实验室研究员,博士生导师。国家级青年人才项目入选者。主要研究免疫系统在肿瘤的发生、发展过程中的变化及特征;利用CAR-T,TCR-T探索肿瘤、自身免疫性疾病、重大传染病免疫治疗新途径;研究γδ T细胞抗原识别及其机制。在国际著名期刊Immunity、Angew. Chem.、eLife、PNAS等杂志发表文章。


教师主页:

https://person.zju.edu.cn/xunzeng 


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