近日，中國科學院微電子研究所健康電子中心研究員黃成軍、副研究員趙陽團隊，在單細胞電學特性流式分析方法及高通量實時分析儀器研究方面取得重要進展。?
單細胞電學特性生物傳感與分析技術為單細胞生物物理學研究提供了新維度。該技術已被證明在全血分析、腫瘤細胞分型和免疫細胞狀態(tài)評估方面具有重要的應用潛力。然而，現(xiàn)有的電學檢測方法難以實現(xiàn)高通量實時性分析，限制了需要大量系統(tǒng)實驗的單細胞電學特性研究的開展。?
該團隊提出了快速并行物理擬合求解器，僅需0.62 毫秒即可在線求解出單個細胞膜比電容和細胞質電導率。與傳統(tǒng)求解器相比，在不損失準確度的前提下，速度提升了27000倍，且不需要任何數(shù)據(jù)預采集和預訓練過程，進一步實現(xiàn)了基于物理模型信息的實時阻抗流式細胞分析儀（piRT-IFC）（圖1）。該技術可在50分鐘內實時表征高達100902個單細胞，具有高穩(wěn)定性、高通量、實時化和全流程自動化等特點。作為示范應用，該團隊對藥物處理后HL-60中性粒細胞脫粒現(xiàn)象這一典型的快速變化的生物過程進行實時表征分析。與普遍采用的神經(jīng)網(wǎng)絡輔助加速方法對比研究表明，piRT-IFC具有速度快、準確度高和泛化能力強的優(yōu)勢，具備廣泛的應用潛力。?
相關研究成果以piRT-IFC: Physics-informed real-time impedance flow cytometry for the characterization of cellular intrinsic electrical properties為題，發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystem and Nanoengineering）上。該研究由微電子所和計算技術研究所合作完成。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、北京市和中國科學院的支持。
近年來，該課題組面對單細胞物理特性檢測存在敏感機理不明和技術實現(xiàn)困難等關鍵技術瓶頸，開創(chuàng)性提出了基于微流控技術的“交叉壓縮通道”敏感新原理和單細胞電學模型，建立了基于微流控芯片的單細胞電學特性高通量定量檢測方法，檢測參數(shù)包括細胞膜比電容和胞漿電導率，通量比膜片鉗等常規(guī)方法高10000倍，并進一步研發(fā)出實時高通量單細胞電學特性流式分析儀（圖2）。儀器入選中國科學院自主研制科學儀器名錄，與首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院、首都醫(yī)科大學附屬北京胸科醫(yī)院、計算所等單位合作，成功用于腦卒中動物模型、癌癥病人樣本、藥物模型等領域的多種細胞的分析，為腫瘤/腦卒中等精準診斷、藥物篩選等提供了有力工具，并發(fā)現(xiàn)了新型標志物，驗證了相關藥物候選分子的作用、獲得授權專利。
圖1.?實時阻抗流式細胞分析儀（piRT-IFC）原理樣機、核心微流控芯片、設備交互界面、典型結果和自動化實時數(shù)據(jù)處理流程?
圖2. 基于微流控芯片技術的單細胞電學特性活體單細胞分析儀（左）及核心微流控芯片（右）
