說起細胞，對普通人來說是既熟悉又陌生，因為大多數人都知道細胞是人體生命的基本組成單位，但了解僅此而已。其實，在科學家眼裡，細胞能幫助他們尋找到人類生老病死的規律和奧秘。
通過單個細胞水平上的分析，不僅可以了解細胞之間的差異性，也能揭示不同細胞表型的分子機制，從而實現對疾病更加精準的診斷和更加有效的治療，還可以從微觀層面探究疾病發病機理，進而有助於研究相關疾病的性質和規律，對重大疾病早期診斷、治療和細胞生理、病理過程的研究具有重要意義。
在廣西師範大學省部共建藥用資源化學與藥物分子工程國家重點實驗室，這棟不起眼的實驗樓里，一支從事生命分析化學研究的科研團隊，將目光對準單細胞，在納米生物傳感與成像以及微流控芯片電泳技術兩大國際前沿技術領域取得了重大突破，部分成果甚至開國際之先河，領先世界。
科研團隊從2005年開始着手於微流控芯片電泳技術的研發，從2015年開始細胞熒光成像技術的研究。此後很長階段當中，團隊先後獲得了1項國家自然科學基金重大科學儀器研究專項和4個面上項目等多個國家和省部級項目的資助，為疾病的早期與愈後診斷提供技術支持。
細胞的直徑只有幾微米到幾十微米，其內部成分如DNA/RNA、蛋白質、生物小分子 等含量通常非常低。如果能對細胞內部進行可視化觀察，將極大促進細胞內部成分的直觀分析。於是，科研團隊採用納米生物傳感與熒光成像技術，很好地解決了如何更清晰地給細胞成像的問題。這是一種以滿足在分子、細胞和組織水平上的多尺度、跨層次檢測需求的技術手段。具體的檢測方法就是，結合生物分子的特徵,製備具有特殊功能的熒光納米探針，能夠與目標物質發生特異性識別反應，並經過成像技術顯現出來，實現細胞內特異性生物分子的信息量化、功能監測和在體檢測的目的。
其中，基於納米材料構建的熒光探針是實現細胞熒光成像的重要工具之一。納米材料是指材料某一維度的尺寸位於納米級，其大小約為頭髮絲直徑的萬分之一，當物質的結構單元小到納米量級時，就會表現出一些獨特的理化性質。基於納米材料的這些特性所構築的生物傳感與成像技術在生命醫學研究等領域有着廣泛的應用。
當材料的某一個尺寸降低到納米級時，其表現出的物理性質與日常生活中所見到的塊狀材料完全不一樣。以課題組合成得到的碳基納米材料為例，我們所見到的塊狀碳，多為黑色，無明顯光澤發光現象，但課題組得到的碳基納米材料，在合適的光源照射條件下，會顯示出不同的顏色。納米材料小世界，生活應用大作為。
熒光探針就是通過特殊設計的合成方法，使熒光探針結構中包含對目標分析物具有靶向識別的基團，通過特異性識別目標物分子，產生信號變化，從而實現對目標物的定性定量分析。那麼，選擇何種納米材料直接關係著納米熒光探針的性能。科研團隊為了獲得毒性低、光穩定性強、生物相容性好的近紅外比率熒光探針，提出了系列熒光碳基量子點的製備新策略，並開發了靈敏度更高、穩定性更好的熒光納米探針。
熒光探針是熒光成像技術中非常重要的組成部分，也是進行熒光成像的信號指示劑。我們可以利用熒光探針進行生物分子的標記或對生物分子進行特異性識別，並通過探針發射的熒光信號進行成像，從而得到生物分子在細胞或活體中的分佈、表達等相關信息。團隊主要圍繞近紅外比率型熒光納米探針的設計構建以及在生命分析中的應用開展研究。近紅外光具有較好的生物組織穿透能力，而比率型熒光信號設計可以有效地降低生物背景的干擾，從而提高活細胞或者活體中的熒光成像性能。
對於熒光納米探針的應用，已經在炎症的研究中發揮了作用。科研團隊研發了一種可以對炎症標誌分子特異性識別的近紅外比率型熒光納米探針。當活體小鼠有炎症發生時，細胞內羥基自由基濃度會增加，而研發的熒光探針對羥基自由基具有較好的響應性能，且熒光強度與羥基自由基濃度呈現良好的線性關係，由此通過熒光探針可以在細胞和活體層面對炎症發生過程進行熒光成像，也就實現了對炎症發生全過程的可視化跟蹤。這對炎症的診斷與治療提供了一種微觀層面的監測方法。但熒光成像技術主要解決的是細胞成分的動態可視化追蹤問題，較難解決細胞內成分含量的精確測定問題。單個細胞的體積非常小，卻含有許多與生命有關的生物分子，如果能準確定量單個細胞中的生物分子，將具有重要的生理和病理價值。不過，這不僅需開發出更高靈敏度的分析法，同時也需要構建一個高靈敏度的研究平台。為解決單個細胞生物分子精準測量的難題，科研團隊在已有的成果基礎上攻堅克難，研製出國際上第一台多功能微流控芯片單細胞分析儀，為發展單細胞內疾病標誌物準確定量提供了研究平台。
微流控芯片是單細胞分析儀的核心部件，它是上個世紀90年代發展起來的一種微全分析技術，具有集成度高、分離效率高、檢測迅速、易於便攜、樣品和試劑消耗量少等優點。目前，微流控芯片分析技術已被應用於蛋白質、核酸、生物小分子等多種物質的檢測，並在生命醫學研究、臨床診斷、環境和食品安全檢測等領域顯示出廣闊的應用前景。
微流控芯片是利用光刻技術，把常規化學實驗室里的樣品製備、合成、反應、分離、檢測等實驗操作，通過刻微通道集成在一片面積很小的玻璃或硅板上。團隊共研製了三代單細胞分析儀，第三代是以微流控芯片為基礎，利用微米級網絡通道進行單細胞操縱、分離，單個細胞內物質的檢測過程。特點是集成了很多網絡通道，可實現高度集成化和自動化程，操作相對簡單，可利用集成顯微鏡實現單細胞操控的可視化。
但由於在微流控芯片平台上，進樣體積小、檢測窗口窄，難以實現高靈敏度檢測，極大限制了微流控芯片技術在痕量疾病標誌物分析領域的應用。為了突破微流控芯片進一步發展和應用的技術瓶頸，為痕量疾病標誌物的精準分析和疾病的早期診斷提供新的技術支持，科研團隊將核酸信號放大技術與微流控芯片檢測方法相結合，發展了在微流控芯片平台上的信號放大方法，攻克了這一難題。
我們在自己構築的微流控芯片電泳研究平台上，結合一些核酸信號轉換與放大的方法，將分析檢測的靈敏度至少提高了1000倍，並成功用於單細胞內微量成分的精準測定。比如，我們最近發表在美國《分析化學雜誌》上的這篇文章當中，就通過設計與分析研究，實現了單個細胞中兩種腫瘤相關蛋白的同時定量，這兩種蛋白的表達量在肝癌細胞中會明顯高於正常的肝臟細胞。這對研究蛋白質與肝癌疾病之間的關係具有重要意義。
科研團隊研製的微流控芯片具有微米級的電泳通道，能夠與單個細胞的尺寸相匹配。另外，微流控芯片電泳可以將目標分析物的化學反應、分離和檢測等基本操作單元集成到一塊具有微米尺寸通道的玻璃片上，通過電泳驅動和特定信號輸出方式，實現目標物質的快速分離與精準檢測。
目前，突破了技術瓶頸的微流控芯片技術已經相對成熟，完全可以作為核心部件應用在單細胞分析儀上，並使之成為細胞分析的重要手段和平台，從而為痕量疾病標誌物的精準分析和疾病的早期診斷提供新的檢測方法。團隊所研發的儀器和方法有望應用於肝癌、鼻咽癌、地中海貧血等廣西高發疾病的基因篩查和早期診斷當中，提升廣西在區域性疾病研究、預防和治療領域的技術水平。
「微芯片電泳及光學納米生物傳感與成像新方法」斬獲2021年度廣西科學技術獎自然科學獎一等獎。
目前，廣西師範大學科研團隊培養了3名廣西自然科學傑出青年基金獲得者，2人獲廣西青年科技獎，研究成果在頂級學術期刊《分析化學》等學術刊物上發表。團隊成員還曾應邀在國際重量級的匹茲堡分析化學會議和全國分子光譜學學術會議等國內外知名學術會議上作報告，所取得的研究成果得到同行的高度肯定。
廣西衛視
每周五 21:55
