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導語:
       當前,聚合酶鏈反應(PCR)是用于miRNA分析的最普遍的方法。但是,由于從細胞裂解物中分離,純化和擴增RNA等過程,miRNA分析成本高,過程復雜,而且周期時間較長。而且,傳統的PCR只能對數千個細胞進行平均測量,但細胞每個個體都不同。這個問題對于識別稀有細胞(例如癌癥干細胞)尤其重要,癌癥干細胞是引起癌癥復發和轉移的主要因素之一。



史鵬博士:可在活細胞中快速分析microRNA的細胞內活檢技術

研究團隊開發了一種稱為“inCell-Biopsy”的高通量技術,該技術不再需要分離,純化和擴增RNA,大大簡化實驗操作。因此,處理時間從數小時減少到大約10分鐘。 詳細全文




MicroRNA(miRNA)在不同人類疾病(例如癌癥)的研究中越來越受到關注,因為miRNA表達的變化通常與異常的細胞功能有關。為了實現對miRNA的快速和高度敏感的分析,香港城市大學(CityU)的研究小組開發了一種新型的細胞內活檢技術,該技術可通過使用金剛石納米針在約10分鐘內從活細胞中分離靶向miRNA。這種技術簡單,且應用廣泛,可以用于包括從病毒的核酸檢測(例如COVID-19)到早期癌癥診斷等多個方面。

這一研究成果公布在Science Advances雜志上,由于香港城市大學生物醫學工程系(BME)副教授史鵬博士領導完成。

單細胞miRNA分析

MiRNA是與基因表達轉錄后調控密切相關的短非編碼RNA片段,這些小分子調節著不同的生物學過程,例如細胞分化,增殖和存活。

當前,聚合酶鏈反應(PCR)是用于miRNA分析的最普遍的方法。但是,由于從細胞裂解物中分離,純化和擴增RNA等過程,miRNA分析成本高,過程復雜,而且周期時間較長。而且,傳統的PCR只能對數千個細胞進行平均測量,但細胞每個個體都不同。這個問題對于識別稀有細胞(例如癌癥干細胞)尤其重要,癌癥干細胞是引起癌癥復發和轉移的主要因素之一。

為此這一研究團隊開發了一種稱為“inCell-Biopsy”的高通量技術,該技術不再需要分離,純化和擴增RNA,大大簡化實驗操作。因此,處理時間從數小時減少到大約10分鐘。

該技術基于團隊先前開發的“molecular fishing”系統。這個系統是將一系列金剛石納米針用作“釣魚竿”,將P19(一種RNA結合蛋白)當作“魚鉤”。 P19可以結合長度為19-24個核苷酸的所有可用雙鏈RNA。使用“釣魚桿”刺穿細胞膜,然后直接拉出被“魚鉤”捕獲的多個miRNA靶標,同時保持細胞存活。因此,每個納米針上的“捕撈結果”后續可視化可實現準單細胞miRNA分析。

“目前,我們可以在每次穿刺中同時提取9個miRNA靶標;可以通過更多優化進一步擴大靶標的數量。一個納米針貼片可以清洗并重復使用50次以上,”史博士解釋說。

在不同時間捕獲相同細胞群中miRNA表達的變化

與基于PCR的方法需要裂解細胞樣品不同,在納米級穿刺后細胞仍然存活。因此,研究人員可以多次分析同一細胞,監測與細胞活性相關的miRNA表達的波動。這意味著研究人員可以通過比較miRNA分析結果,觀察細胞如何進化。作為概念驗證,研究人員在小鼠胚胎干細胞向運動神經元的分化過程中應用了細胞活檢技術。

“從研究結果來看,我們可以獲得有關源自干細胞的新興細胞群百分比的信息。還可以分辨出不同細胞群之間的關系。使用現有方法無法進行這種分析。”

潛在的治療策略質量控制平臺

史博士認為,細胞內活檢技術將可以用于定量檢查同一批細胞中miRNA表達的時間動態,揭示混合細胞群體中細胞異質性的演變。它可作為快速便捷的評估平臺,用于對涉及細胞成分的新興治療策略進行質量控制,例如干細胞或CAR-T細胞療法(從基因上操縱患者的免疫細胞,識別和殺死癌細胞)。這可以增強治療的有效性和安全性。

此外,最近在醫療保健市場中推廣了miRNA分析技術,用于早期癌癥篩查。研究小組認為,這項新技術可能具有很高的轉換能力,并且可以與現有的醫療保健用途兼容,從而使這種檢測方法更短,更簡單。該團隊已經著手在結腸癌篩查研究中測試該技術。

“我們的技術可以用于干細胞以外的細胞,例如血細胞,癌細胞或T細胞等。它不僅可以用于分析miRNA,還可以用于分析不同種類的RNA,甚至是檢測COVID-19病毒。”

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作者簡介:

香港城市大學生物醫學工程學系史鵬團隊

神經工程實驗室位于香港城市大學深圳研究院,實驗室由香港城市大學生物醫學工程學系史鵬教授擔任主任,現有三名博士后,以及多位博士研究生在讀。實驗室主要從事生物傳感器,生物芯片,以及高通量篩選技術的研究和系統系統開發,并積極發展相關技術在神經生物學,生物電子學,腦科學等領域的應用。

自成立以來,研究團隊承擔了國家和市級多項科研項目,發表了一系列高水平論文,同時不斷嘗試實驗室的研究成果的生物醫學應用和產業化轉移。尤其在藥物篩選技術和表觀遺傳檢測技術兩方面,該團隊以跨學科多領域的獨特視角,利用機器學習和生物大數據的創新概念,致力具有臨床價值的技術突破。我們期待與海內外研究機構和企業加強合作,共同為促進國家,特別是大灣區地區的生物醫學產業與科技發展而努力。



 

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