單個(gè)細(xì)胞是地球上細(xì)胞生命體功能和進(jìn)化的基本單元。單細(xì)胞精度的高通量功能分選是解析生命體系異質(zhì)性機(jī)制、探索自然界微生物暗物質(zhì)的重要工具。單細(xì)胞拉曼光譜(SCRS)能夠在無標(biāo)記、無損的前提下揭示細(xì)胞固有的化學(xué)組成，因此拉曼激活細(xì)胞分選技術(shù)(RACS)日益受到廣泛關(guān)注。但是分選通量是當(dāng)前限制其廣泛應(yīng)用的最重要的瓶頸之一。據(jù)此，青島能源所單細(xì)胞中心馬波研究員與徐健研究員帶領(lǐng)的多學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)通過耦合SCRS和液滴微流控技術(shù)，發(fā)明了拉曼激活單細(xì)胞液滴分選技術(shù)(Raman-activated single-cell Droplet Sorting; RADS)，這是目前已公開報(bào)道的工作中分選通量最高的RACS系統(tǒng)。該工作于11月3號(hào)在線發(fā)表于Analytical Chemistry。

　　單細(xì)胞中心前期發(fā)明了基于微流控芯片的流式RACS技術(shù)(Zhang, et al, Analytical Chemistry, 2015)，通過集成基于介電的單細(xì)胞捕獲釋放和電磁閥吸吮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速流動(dòng)狀態(tài)下單細(xì)胞的捕獲、拉曼采集、釋放和分選，通量達(dá)~60 個(gè)細(xì)胞/分鐘。為了進(jìn)一步提高通量，研究人員提出，單細(xì)胞經(jīng)液滴包裹后，通過耦合介電可實(shí)現(xiàn)超高通量分選。液滴包裹不僅可以保護(hù)細(xì)胞免受分選過程中的損傷，還能夠與分選后細(xì)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(shù)有著廣闊應(yīng)用前景。

　　然而，在RADS技術(shù)中存在諸多技術(shù)難題。首先，液滴表面凸/凹的形狀會(huì)產(chǎn)生透鏡效應(yīng)，從而影響拉曼激光聚焦，降低空間分辨率，最終導(dǎo)致無法獲取液滴中細(xì)胞的拉曼信號(hào)。其次，單細(xì)胞液滴包裹需要油相的引入，而油相具有強(qiáng)拉曼背景，會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞拉曼信號(hào)的精確獲取。第三，如何實(shí)現(xiàn)拉曼采集、分析、單細(xì)胞液滴包裹及分選的自動(dòng)化集成未見先例。單細(xì)胞中心研究人員巧妙利用先獲取單細(xì)胞拉曼信號(hào)，后進(jìn)行單細(xì)胞液滴包裹的策略，有效解決了液滴對(duì)拉曼信號(hào)采集的影響;同時(shí)，在線集成液滴發(fā)生和分選同步進(jìn)行，大大簡化了系統(tǒng)操作步驟;最后，通過自主開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)了拉曼采集、分析、單細(xì)胞液滴包裹及分選的高度自動(dòng)化。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)蝦青素之雨生紅球藻的精確化(分選準(zhǔn)確率高達(dá)98.3%)、高通量(260 細(xì)胞/分鐘)篩選。研究人員還證明，分選后有92.7%的雨生紅球藻細(xì)胞保持活性并可增殖，和未經(jīng)分選的對(duì)照組相比沒有顯著性差異，說明RADS技術(shù)充分保護(hù)了細(xì)胞的活性。

　　單細(xì)胞中心前期已證明，基于單細(xì)胞拉曼成像的拉曼組(Ramanome)技術(shù)能夠非標(biāo)記、非破壞性地識(shí)別與分析幾近無限的細(xì)胞功能。與拉曼組技術(shù)相耦合的RADS將能夠高通量分選廣泛的細(xì)胞功能，從而允許下游特定功能單細(xì)胞的培養(yǎng)或組學(xué)分析。這一工作為研制高度通量化與集成化的單細(xì)胞拉曼分選與測(cè)序系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　論文共同一作是青島能源所單細(xì)胞中心的王喜先與任立輝。本工作得到了中科院武漢水生所胡強(qiáng)研究員、北京大學(xué)王瑋教授等的幫助，并得到了中科院儀器專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金等的支持。

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圖1 拉曼激活單細(xì)胞液滴分選(RADS)系統(tǒng)示意圖