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單個細胞是地球上細胞生命體功能和進化的基本單元。單細胞精度的高通量功能分選是解析生命體系異質性機制、探索自然界微生物暗物質的重要工具。單細胞拉曼光譜（SCRS）能夠在無標記、無損的前提下揭示細胞固有的化學組成，因此拉曼激活細胞分選技術（RACS）日益受到關注。但分選通量是當前限制其廣泛應用的瓶頸。中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心研究員馬波與徐健帶領的多學科交叉團隊，通過耦合SCRS和液滴微流控技術，發(fā)明了拉曼激活單細胞液滴分選技術（Raman-activated single-cell Droplet Sorting; RADS），這是目前已公開報道的工作中分選通量最高的RACS系統(tǒng)。相關研究工作在線發(fā)表在Analytical Chemistry上。
科研人員前期發(fā)明了基于微流控芯片的流式RACS技術，通過集成基于介電的單細胞捕獲釋放和電磁閥吸吮技術，實現(xiàn)了高速流動狀態(tài)下單細胞的捕獲、拉曼采集、釋放和分選，通量達~60個細胞/分鐘。為了進一步提高通量，研究人員提出，單細胞經液滴包裹后，通過耦合介電可實現(xiàn)超高通量分選。液滴包裹不僅可以保護細胞免受分選過程中的損傷，還可與分選后細胞的培養(yǎng)、DNA、RNA、蛋白等的提取與分析等無縫銜接。因此，RADS技術有著廣闊應用前景。
然而，在RADS技術中存在諸多技術難題。首先，液滴表面凸/凹的形狀會產生透鏡效應，影響拉曼激光聚焦，降低空間分辨率，導致無法獲取液滴中細胞的拉曼信號。其次，單細胞液滴包裹需要油相的引入，而油相具有強拉曼背景，會嚴重影響細胞拉曼信號的精確獲取。第三，如何實現(xiàn)拉曼采集、分析、單細胞液滴包裹及分選的自動化集成未見先例。研究人員巧妙利用先獲取單細胞拉曼信號，后進行單細胞液滴包裹的策略，有效解決了液滴對拉曼信號采集的影響；在線集成液滴發(fā)生和分選同步進行，簡化了系統(tǒng)操作步驟；最后，通過自主開發(fā)的軟件，實現(xiàn)了拉曼采集、分析、單細胞液滴包裹及分選的高度自動化。該系統(tǒng)實現(xiàn)了高產蝦青素之雨生紅球藻的精確化（分選準確率高達98.3%）、高通量（260細胞/分鐘）篩選。研究表明，分選后有92.7%的雨生紅球藻細胞保持活性并可增殖，和未經分選的對照組相比沒有顯著性差異，這說明RADS技術充分保護了細胞的活性。
前期研究已證明，基于單細胞拉曼成像的拉曼組（Ramanome）技術能夠非標記、非破壞性地識別與分析幾近無限的細胞功能。與拉曼組技術相耦合的RADS將能夠高通量分選廣泛的細胞功能，從而允許下游特定功能單細胞的培養(yǎng)或組學分析。這一工作為研制高度通量化與集成化的單細胞拉曼分選與測序系統(tǒng)奠定了基礎。
研究工作得到了得到了中科院儀器專項、國家自然科學基金、中國博士后科學基金和山東省自然科學基金等的支持。
拉曼激活單細胞液滴分選（RADS）系統(tǒng)示意圖
