在液体活检的研究中，基于表面上皮标志物(EpCAM和CK)的循环肿瘤细胞(CTC)检测策略虽然应用较为广泛，但仍然存在许多局限性。研究表明，CTC 中的肿瘤相关 miRNA与癌症的发生和发展具有高度相关性，具有成为肿瘤表征和鉴定标志物的巨大潜力。目前，高通量地针对单个CTC在活细胞水平开展原位分析，并进一步实现多个miRNA的同步分析，仍然是十分具有挑战性的工作。然而，新型的二维纳米材料——金属有机框架(MOF)因其结构可控、功能多样的特性，为研究人员提供了活细胞探针载体的新思路。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院陈艳团队联合清华大学深圳国际研究生院谭英团队、香港理工大学杨莫团队提出了一种新型的2D MOF纳米传感器集成的液滴微流控流式细胞仪(Nano-DMFC)，可应用于CTC单细胞miRNA的原位多重检测。该研究工作以陈俊粤、格日乐为共同一作，以“2D MOF Nanosensor-Integrated Digital Droplet Microfluidic Flow Cytometry for In Situ Detection of Multiple miRNAs in Single CTC Cells”为题发表在权威学术期刊Small (DOI: 10.1002/smll.202201779)上。
本研究开发了一种新型的2D MOF纳米传感器集成的液滴微流控流式细胞仪(Nano-DMFC)，突破了目前活细胞中核酸原位分析的技术瓶颈，高通量地实现了样本中单个CTC活细胞miRNA的原位、多重、定量分析。该纳米传感方案以金属有机框架MOF为猝灭剂，双色荧光染料标记DNA探针为供体，首次合成了用于双重miRNAs检测的生物功能化MOF荧光共振能量转移(FRET)纳米探针。该2D MOF纳米传感器修饰了两种乳腺癌靶向多肽序列，以增加肿瘤细胞靶向和内体逃逸能力。集成2D MOF纳米传感器的数字液滴微流控流式细胞仪，可以实现单个乳腺癌细胞中双重miRNA标志物(miRNA-21和miRNA-10a)的原位检测。
纳米传感器集成的液滴微流控流式细胞仪由三部分组成: 单细胞液滴发生器，纳米探针微注射单元和液滴荧光检测单元。Nano-DMFC系统首先产生单细胞液滴，然后2D MOF纳米传感器被精确地微注射到每个单细胞液滴中，在活细胞水平实现单个肿瘤细胞中的双重 miRNA表征。在单个肿瘤细胞内存在目标miRNA时，MOF纳米片上的染料标记的ssDNA 与其靶标形成杂交双链DNA (dsDNA)，dsDNA和MOF之间的相互作用减弱，使得dsDNA从MOF表面分离，最终触发荧光的恢复。不同类型的 miRNA 在单个细胞中会产生不同的荧光信号。最后，使用光纤集成的液滴流式检测装置，在纳米探针孵育后对液滴中的信号进行检测和分析，从而实现对单细胞中双重miRNA的检测。实验结果表明，Nano-DMFC平台能够以双重miRNA为靶标在仿生样本(含有10,000个阴性上皮细胞)中检测出10个阳性CTC细胞，同时在加标血液样本的回收实验中表现出良好的重复性，因此该平台成功验证了以miRNA为标志物的CTC检测新策略。Nano-DMFC系统作为一种小型化、高度集成、操作简易的活细胞miRNA分析平台，为研究肿瘤细胞异质性和鉴定细胞亚型提供了新的思路，在临床研究中具有癌症早期诊断和术后监测的潜力。
本研究工作得到了国家自然科学基金、广东省粤港联合创新领域项目、深圳市科技创新委、香港研究资助局等多个项目经费的资助。
图1 A) 同时检测miR-21和miR-10a的MOF-PEG-peps纳米复合材料传感器的制备方案。B) Nano-DMFC系统中的样品处理单元和miRNA检测单元，可实现单细胞液滴包裹、纳米传感器微注射、单个CTC细胞多重miRNA荧光检测。
论文信息
2D MOF Nanosensor-Integrated Digital Droplet Microfluidic Flow Cytometry for In Situ Detection of Multiple miRNAs in Single CTC Cells
Junyue Chen？, Gerile Oudeng？, Hongtao Feng, Sixi Liu, Hung-Wing Li, Yi-Ping Ho, Yan Chen* (中国科学院深圳先进技术研究院), Ying Tan*(清华大学深圳国际研究生院), Mo Yang*(香港理工大学)
https://doi.org/10.1002/smll.202201779
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