单细胞光纳米光电检技术简介.pptx

江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司单细胞纳米光电同步检测技术单细胞纳米光电同步检测技术 在生命科学领域的应用在生命科学领域的应用江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司新的应用？新的应用？1234单细胞技术单细胞技术研究案例研究案例单细胞光电检测技术单细胞光电检测技术5江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司We all start out as a single totipotent cell that is programmed to produce a multicellular organism.How do individual cells make those complex developmental switches?How do single cells within a tissue or organ differ?how do they coordinate their actions or go astray in a disease process?Why do seemingly identical cells respond differently to a drug?Why single cell?江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Single-nucleus sequencing癌细胞：复杂的亚细胞群，意味着复杂的基因组以及复杂的拷贝数变异（CNV），单细胞测序让这些“复杂”变得“简单化”，从而“清晰化”。通过对来自于同一基因组背景的100个单细胞分别测序，鉴定到了一个原始的基因扩增。(Nicholas et al.,Nature,472,2011)单细胞组学分析（单细胞组学分析（Single-cell“omics”analysis）江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司单细胞转录组学分析揭示不同单细胞基因表达的巨大差别:Alex等利用脂多糖(LPS)刺激髓系来源的树突状细胞(BMDCs)，观察到单细胞在mRNA表达丰度和剪切模式方面的巨大差别，鉴定了137个刺激应答基因。(Alex,et al.Nature,498,2013)Single cell transcriptomes单细胞表观遗传分析？Not yet!Big challenge,but possible,单细胞组学分析（单细胞组学分析（Single-cell“omics”analysis）江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司 单细胞组学分析（单细胞组学分析（Single-cell“omics”analysis）Cohen,Science,322,2008江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Single-cell analysis heralds a new era that allows omics analysis,notably genomics,transcriptomics,epigenomics and proteomics at the single-cell level.It enables the identification of the minor subpopulations that may play a critical role in a biological process of a population of cells,which conventionally are regarded as homogeneous.It provides an ultra-sensitive tool to clarify specific molecular mechanisms and pathways and reveal the nature of cell heterogeneity.It also facilitates the clinical investigation of patients when a very low quantity or a single cell is available for analysis,such as noninvasive prenatal diagnosis and cancer screening,and genetic evaluation for in vitro fertilization.Within a few short years,single-cell analysis,especially whole genomic sequencing and transcriptomic sequencing,is becoming robust and broadly accessible,although not yet a routine practice.江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司l研究单细胞分析的论文调查研究单细胞分析的论文调查:l据不完全统计：据不完全统计：2013年发表在年发表在Cell上的关于上的关于Single Cell Analysis的论文的论文有有47篇，发表在篇，发表在Nature上的有上的有8篇，发表在篇，发表在Science上的有上的有4篇。篇。l本图数据是根据本图数据是根据Science Direct数据库中生物、医学、药理学等相关领域数据库中生物、医学、药理学等相关领域内有关单细胞分析近五年来的论文数量统计得来。内有关单细胞分析近五年来的论文数量统计得来。l单细胞研究成为热门方向。单细胞研究成为热门方向。Current Research Status江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司l多学科技术综合多学科技术综合 采用独立开发的光采用独立开发的光,机机,电电,生生,化一体传感技术。化一体传感技术。l可检测单个活细胞可检测单个活细胞 实时检测单细胞内代谢过程中生化指标变化。实时检测单细胞内代谢过程中生化指标变化。l亚细胞水平光电同步检测亚细胞水平光电同步检测 可在纳米尺度定位定量检可在纳米尺度定位定量检测亚细胞及分子水平的光测亚细胞及分子水平的光/电信号。电信号。l给药和药效检测同时进行给药和药效检测同时进行 可外部给药可外部给药,同时检测药物疗效。同时检测药物疗效。l微创检测微创检测 能够不破坏细胞结构，不损伤细胞来实现能够不破坏细胞结构，不损伤细胞来实现对活细胞内多种信号分对活细胞内多种信号分子、生物标志物、酶活性、信号传递等的实时和原位检测。子、生物标志物、酶活性、信号传递等的实时和原位检测。Technical Characteristics江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司产品介绍产品介绍OutlookFirst Generation江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司OutlookSecond Generation江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Structure整体结构整体结构:光源单元，微操系统，细胞定位系统，光/电学检测单元及数据采集与分析单元等江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Working Principle生物素标记的抗端粒酶+端粒酶结合磷酸酶共轭+磷酸酶抗端粒酶-纳米探针尖纳米探针穿刺到细胞里面抗端粒酶+端粒酶结合光学检测：光学检测：纳米探针刺入待测细胞，探针尖端的修饰物与待测目标相结合纳米探针刺入待测细胞，探针尖端的修饰物与待测目标相结合,通过激发光通过激发光来激发与目标标记物相结合的荧光物质，导致来激发与目标标记物相结合的荧光物质，导致标记物发射荧光。光学系统收集这些荧光标记物发射荧光。光学系统收集这些荧光信号并进行分析处理。信号并进行分析处理。范例范例:江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司光学信号激发光待测目标物质光信号检测示意图光信号检测示意图Working Principle江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司电学检测：电学检测：纳米探针靠近纳米探针靠近(或者刺入或者刺入)待测细胞，通过工作电极检测待测目标物待测细胞，通过工作电极检测待测目标物质的电质的电流信号。根据浓度流信号。根据浓度-电流校准曲线，可以推算出细胞所释放出的物质的电流校准曲线，可以推算出细胞所释放出的物质的浓度。浓度。如：以如：以PB（普鲁士蓝）修饰后的纳米探针作为工作电极，配合参考电极和对（普鲁士蓝）修饰后的纳米探针作为工作电极，配合参考电极和对电极及电化学工作站来检测细胞内电极及电化学工作站来检测细胞内H2O2分解释放、氧化还原状态和硫醇水平分解释放、氧化还原状态和硫醇水平的电流信号。根据得到的电流响应的值，可以推算出细胞所释放出的的电流信号。根据得到的电流响应的值，可以推算出细胞所释放出的H2O2的的浓度。浓度。电光纳米探针在电光纳米探针在MCF10A（a a，d d，g g），），MCF7（b b，e，h）和）和MCF7/HER2（c c，f f，i i）细胞内检测）细胞内检测的的H H2 2O O2 2分解释放到细胞外空间（分解释放到细胞外空间（a-ca-c）的动力学和细胞内氧化还原状态（）的动力学和细胞内氧化还原状态（d-fd-f）的实时变化或还原的）的实时变化或还原的硫醇水平（硫醇水平（g-ig-i）。）。Working Principle江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司工作电极电信号 微对电极(Pt)微参比电极(Ag/AgCl)释放生化物质（待测目标物质）电信号检测试示意图电信号检测试示意图Working Principle江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司案例一：光学探测单个活体癌细胞的端粒酶表达水平：癌变分析案例一：光学探测单个活体癌细胞的端粒酶表达水平：癌变分析结果：通过光学检测结果：通过光学检测单个活体癌细胞的端粒酶过度表达，发现荧光信号远远高于阴性单个活体癌细胞的端粒酶过度表达，发现荧光信号远远高于阴性hMSC。使用该设备可以在单个细胞水平，在线观测。使用该设备可以在单个细胞水平，在线观测端粒酶的变化情况。为细胞癌变端粒酶的变化情况。为细胞癌变的早期分析起到非常好的引导作用；同时该设备还可以用来检测其它低表达蛋白。的早期分析起到非常好的引导作用；同时该设备还可以用来检测其它低表达蛋白。加入DDAO-phosphates 后，单个癌细胞（MCF-7）及正常细胞（hMSC)的荧光变化对比曲线不同细胞群内单个细胞的荧光变化统计图，包括癌细胞（MCF-7），正常细胞（hMSC)数据来源：Zheng,X.T.etc,Single living cell detection of telomerase over-expression for cancer detection by an optical fiber nanobiosensor.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2010.25(6):p.1548-1552.Case Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司案例二：光学检测单个细胞的乳酸释放水平：诊断早期癌症案例二：光学检测单个细胞的乳酸释放水平：诊断早期癌症Detection of extracellular lactate Diffusion profiles of the released lactase（样品细胞：人乳腺癌细胞 MCF-7）Case Study数据来源：Zheng,X.T.,H.B.Yang,and C.M.Li,Optical Detection of Single Cell Lactate Release for Cancer Metabolic Analysis.Analytical ChemistryAnalytical Chemistry (IF:5.69)(IF:5.69),2010.82(12):p.5082-5087.江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司研究结果发现在新陈代谢过程中，癌症细胞的细胞外的乳酸水平要明显高于正常细胞，研究结果发现在新陈代谢过程中，癌症细胞的细胞外的乳酸水平要明显高于正常细胞，通过监测细胞的乳酸水平，可有效诊断细胞是否癌变。该设备为癌细胞发展的早期诊通过监测细胞的乳酸水平，可有效诊断细胞是否癌变。该设备为癌细胞发展的早期诊断提供了一个强大的检测手段。断提供了一个强大的检测手段。Calibration curve for lactate detectionCase Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司案例三：单细胞内亚细胞细水平局部给药的实时检测：研究抗癌疗效案例三：单细胞内亚细胞细水平局部给药的实时检测：研究抗癌疗效纳米探针给单个细胞局部给药示意图纳米探针给单个细胞局部给药示意图RGO通过静电作用聚焦在纳米探针端面通过静电作用聚焦在纳米探针端面抗癌药物：抗癌药物：-lap探针尖端放大示意图探针尖端放大示意图 数据来源：C.M.Li,etc.Anticancer Efficacy and Subcellular Site of Action Investigated by Real-Time Monitoring of Cellular Responses to Localized Drug Delivery in Single Cells.SmallSmall (IF:7.82),(IF:7.82),2034.8(17):p.2670-2674.Case Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司亚细胞特地供给亚细胞特地供给-lap药物位置图药物位置图在在细胞细胞不同位置进行不同位置进行-lap供给后，检测到的供给后，检测到的ROS活性对比活性对比细胞核周围细胞核周围 ：位置：位置2细胞质细胞质：位置：位置1细胞核细胞核：位置：位置 3加入抗癌药加入抗癌药-lap 到单细胞内的不同位置，检测到的活性氧种类（到单细胞内的不同位置，检测到的活性氧种类（ROS）含量和）含量和Ca2+均显示细胞均显示细胞核周围为药物的起效位置，该设备不仅实现了单个细胞亚细胞水平定向给药，而且为优化给药位核周围为药物的起效位置，该设备不仅实现了单个细胞亚细胞水平定向给药，而且为优化给药位置，分析药物起效机理提供极佳的平台，对药物筛选及置，分析药物起效机理提供极佳的平台，对药物筛选及 药理分析具有极大的意义。药理分析具有极大的意义。Case Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司过氧化氢浓度和电流过氧化氢浓度和电流校准曲线图校准曲线图案例四：光电实时探测单细胞内局部生化过程：案例四：光电实时探测单细胞内局部生化过程：光电纳米探针在光电纳米探针在K3Fe(CN)6溶液中的测试结果溶液中的测试结果 数据来源：Zheng,X.T.,et al.,Bifunctional electro-optical nanoprobe to real-time detect local biochemical processes in single cells.Biosensors&Bioelectronics,Biosensors&Bioelectronics,2011.26(11):p.4484-4490.Case Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司细胞核内和细胞边缘微电流对比细胞核内和细胞边缘微电流对比细胞核内和细胞边缘荧光激发对比细胞核内和细胞边缘荧光激发对比细胞核内细胞核内细胞边缘细胞边缘光光电电多多功功能能纳纳米米探探针针在在研研究究动动态态单单细细胞胞活活性性过过程程中中，不不仅仅实实时时监监测测细细胞胞内内荧荧光光变变化化水水平平，同同时时实实时时定定量量的的测测量量出出在在相相同同位位置置释释放放出出H H2 2O O2 2时时的的电电流流大大小小。光光电电同同时时检检测测的的结结果果显显示示，与与正正常常细细胞胞相相比比，癌癌症症细细胞胞具具有有较较高高的的氧氧化化反反应应同同时时也也改改变变了了抗抗氧氧化化水水平平。这这表表明明细细胞胞恶恶性性肿肿瘤瘤与与氧氧化化应应激激的的强强度度相相关关,较较高高的的抗抗氧氧化化剂剂水水平平可可能能会会造造成成耐耐药药性性。这这种种独独特特结结构构的的光光电电同同步步纳纳米米探探针针检检测测仪仪，适适用用于于单单细细胞胞水水平平的的生生化化反反应应通通用用监监控控，在在纳纳米米级级的的环环境境中中研研究究化化学学动动力力学学，阐明关键的生物学过程。阐明关键的生物学过程。Case Study江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Research Achievementl基于本设备进行了多方面深入的研究，目前已经取基于本设备进行了多方面深入的研究，目前已经取 得得 了一系列研究成果。了一系列研究成果。l发明专利发明专利3项，项，SCI科技论文科技论文6篇（影响因子最低篇（影响因子最低4.57，最高，最高24.89），投稿论文），投稿论文3篇。篇。江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司Publication List 1.Zheng,X.T.and C.M.Li,Single cell analysis at the nanoscale.Chemical Society Reviews(IF:24.89),Chemical Society Reviews(IF:24.89),2011.41(6):p.2061-2071.2.Zheng,X.T.,P.Chen,and C.M.Li,Anticancer Efficacy and Subcellular Site of Action Investigated by Real-Time Monitoring of Cellular Responses to Localized Drug Delivery in Single Cells.SmallSmall (IF:7.82),(IF:7.82),2012.8(17):p.2670-2674.3.Zheng,X.T.,et al.,Bifunctional electro-optical nanoprobe to real-time detect local biochemical processes in single cells.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2011.26(11):p.4484-4490.4.Zheng,X.T.and C.M.Li,Single living cell detection of telomerase over-expression for cancer detection by an optical fiber nanobiosensor.Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),Biosensors&Bioelectronics(IF:5.44),2010.25(6):p.1548-1552.5.Zheng,X.T.,H.B.Yang,and C.M.Li,Optical Detection of Single Cell Lactate Release for Cancer Metabolic Analysis.Analytical Chemistry(IF:5.69)Analytical Chemistry(IF:5.69),2010.82(12):p.5082-5087.6.Zheng,X.T.and C.M.Li,Restoring Basal Planes of Graphene Oxides for Highly Efficient Loading and Delivery of beta-Lapachone.Molecular Pharmaceutics(IF:4.57),Molecular Pharmaceutics(IF:4.57),2034.9(3):p.615-621.江苏瑞明生物科技有限公司江苏瑞明生物科技有限公司