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給細(xì)胞建個“單間”:新型拉曼芯片解決液體檢測難題,助力腫瘤研究

來源:長春長光辰英生物科學(xué)儀器有限公司 更新時間:2025-07-18 13:15:20 閱讀量:135
導(dǎo)讀:中國科學(xué)院長春光機所李備研究員的X-Lab團隊與格拉斯哥大學(xué)徐嘉寶博士合作,成功開發(fā)了一款單細(xì)胞液體拉曼光譜檢測芯片。它就像一個為細(xì)胞量身定制的“微型公寓”,讓每個細(xì)胞都有自己的“單間”,可以實現(xiàn)對活性單細(xì)胞的精準(zhǔn)檢測!
在腫瘤研究和早期診斷的賽道上,還原“單個細(xì)胞”的真實狀態(tài),成為科學(xué)家們研究課題中 “痛點中的痛點”。拉曼光譜作為一種無創(chuàng)、無標(biāo)記、快速準(zhǔn)確的檢測手段,能夠精確“快照”單細(xì)胞的代謝狀態(tài), 目前在生物領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。但由于細(xì)胞貼壁培養(yǎng)和干燥收縮的特性,目前在液體環(huán)境中對非固定細(xì)胞進行單細(xì)胞拉曼光譜的精準(zhǔn)檢測存在困難!


破局者來了!

中國科學(xué)院長春光機所李備研究員的X-Lab團隊與格拉斯哥大學(xué)徐嘉寶博士合作,成功開發(fā)了一款單細(xì)胞液體拉曼光譜檢測芯片。它就像一個為細(xì)胞量身定制的“微型公寓”,讓每個細(xì)胞都有自己的“單間”,可以實現(xiàn)對活性單細(xì)胞的精準(zhǔn)檢測!
微孔芯片點樣效果




01

應(yīng)用優(yōu)勢
三大“超能力”解決核心難題:
 微孔精準(zhǔn)捕獲,告別細(xì)胞堆疊,實現(xiàn)真正單細(xì)胞檢測;
 金屬基底增強信號,信噪比飆升70%;
 高通量陣列設(shè)計,分析效率大幅提升。



02

應(yīng)用案例

1. 核心武器:會“抓”細(xì)胞的芯片
芯片布滿十幾萬個與細(xì)胞大小匹配的微孔,這些微孔不僅能高效捕獲單個細(xì)胞,還利用材料的疏水性“鎖住”細(xì)胞,讓它們在液體環(huán)境中“安分守己”,為后續(xù)的精準(zhǔn)檢測提供了更高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
圖2 普通金屬基板與微孔金屬基板顯微視野
圖a, b為普通金屬基板上液滴堆疊情況(a為上層細(xì)胞視野,b為下層細(xì)胞視野);圖c, d為普通金屬基板拉曼采集時單細(xì)胞的移動(c為采集前細(xì)胞位置,d為1s采集時間后的細(xì)胞位置);圖e為微孔金屬基板的顯微視野


2. 效果加成:信號更強,看得更清
芯片的金屬基底就像一個“信號放大器”,讓細(xì)胞的拉曼光譜信號強度更高、更穩(wěn)定信噪比(SNR)顯著提高了70.34%!
這意味著我們可以獲得更清晰、更可靠的細(xì)胞分子指紋”。

圖3 微孔金屬基板與微孔玻璃基板對拉曼信號采集的影響

圖a為金屬基板上單細(xì)胞平均拉曼光譜;圖b為玻璃基板上單細(xì)胞平均拉曼光譜(灰色部分為拉曼光譜標(biāo)準(zhǔn)差);圖c為兩種基板上拉曼光譜信噪比統(tǒng)計;圖d為兩種基板上單細(xì)胞拉曼光譜信噪比豐度統(tǒng)計


3. 實戰(zhàn)演練:精準(zhǔn)區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞
肺癌細(xì)胞(PC-9)正常上皮細(xì)胞(BEAS-2B) “請”進芯片每個單間,并進行單細(xì)胞拉曼光譜采集:
· 無監(jiān)督學(xué)習(xí)“初篩”利用t-SNE算法對光譜數(shù)據(jù)進行降維可視化,結(jié)果顯示兩種細(xì)胞的拉曼光譜呈現(xiàn)兩個不同的單細(xì)胞簇,分別代表兩種細(xì)胞類型(圖4b)。

圖4 腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞拉曼光譜采集與無監(jiān)督聚類

圖a為基于新型芯片與共聚焦拉曼光譜儀平臺對兩種細(xì)胞采集的平均拉曼光譜;圖b為兩種細(xì)胞拉曼光譜t-SNE無監(jiān)督聚類的可視化結(jié)果


· AI模型“精判”:為提升平臺的準(zhǔn)確性,研究采用了監(jiān)督式機器學(xué)習(xí)算法,包括k近鄰(kNN)和極端梯度提升(XGBoost),以構(gòu)建高效的分類模型。結(jié)果驚人:
kNN模型分類準(zhǔn)確率:97.8%
XGBoost模型分類準(zhǔn)確率:100%!

圖5 監(jiān)督式機器學(xué)習(xí)算法對腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的分類

圖ab分別為kNN算法測試集的混淆矩陣與可靠性驗證的ROC曲線;圖cd分別為XGBoost算法測試集的混淆矩陣與可靠性驗證的ROC曲線




03

小結(jié)
本應(yīng)用中采用新型微孔金屬基板芯片,專為單細(xì)胞液體拉曼檢測設(shè)計,有效解決了液體環(huán)境中單細(xì)胞堆疊和在檢測過程中移動的難題。
該芯片與P300共聚焦拉曼光譜儀的高精度、高穩(wěn)定性檢測相結(jié)合,實現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞的準(zhǔn)確分類與鑒定,在生物醫(yī)學(xué)研究中具有重要意義。
參考文獻:

Jiabao Xu et al., Microwell-assembled aluminum substrates for enhanced single-cell analysis: A novel approach for cancer cell profiling by Raman spectroscopy. Talanta,2025


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感恩節(jié)快樂


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