生物分析技術

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結合微流體和等離子體動力學用於細胞篩選的創新生物分析工具

Gerardo Perozziello＊

意大利卡坦紮羅大學實驗與臨床醫學係副教授

*通訊作者:Gerardo Perozziello，意大利卡坦紮羅大學實驗與臨床醫學係副教授，E-mail: gerardo.perozziello@unicz.it


近年來，科學界的一部分人一直致力於創新生物分析工具的開發，這些工具可以達到前所未有的分辨率，並簡化分析協議。這是為了滿足醫學領域發展先進篩查和早期診斷設備的需要。事實上，在大多數嚴重疾病中，從人體檢測生物物種的痕跡(血液及其成分、唾液、活組織檢查等)對於可能對人類健康造成的影響極為重要。對幾種疾病(例如癌症或神經退行性疾病或其他疾病)的早期發現可以預測對同一疾病的治療，並阻止其發展和進展。這一方麵可以提高相關人員的生活質量，另一方麵也可以降低醫療費用。然而，在將體液用於常規篩查程序和早期發現嚴重疾病之前，還有許多問題要考慮。

複雜生物樣品的處理和分析是具有挑戰性的，其中在一簇分子中個性化的單一成分，通常需要複雜的協議來預處理複雜的樣品[2]。早期診斷通常轉化為檢測稀釋溶液中的少量分子，由於分析分辨率的限製，目前的傳感器看不到這些分子。此外，對於某些篩選程序來說，不影響生物樣品[3]的表型是很重要的，特別是對於某些篩選程序，需要對特定的樣品(例如特定的細胞群)進行長時間的分析，因此引入對被分析物沒有侵入性的新方法就變得很重要。最後，人體行為的異質性及其對醫療的反應要求開發與個性化醫療兼容的生物分析工具，這轉化為開發便攜、快速、同時提供高通量和高含量分析並降低成本的設備。

克服這些問題的一種方法是開發微流控器件和創新的無標簽等離子體納米傳感器[4]。

微流體學是一門跨學科的學科，專注於少量液體、細胞和顆粒的傳輸、操作和分析。作為生物分析工具，微流控裝置已經被幾個研究小組開發和利用。這是由於與傳統生物分析技術相比有一些優勢。事實上，這些設備保證了高便攜性，樣品處理的精確控製，簡化的樣品預處理協議，低消耗的樣品和試劑，高分辨率的分析和低成本的生產和分析[7]。

文獻中有許多用於分析目的的微流體裝置的例子。這些已被開發用於DNA檢測[8]、蛋白質分析[9]和其他生物標記物檢測(例如，區分健康細胞和腫瘤細胞，用於表型細胞篩選等)[10-12]。

微流控裝置能夠處理生物樣品具有非常高的精度和分辨率，簡化了分析協議。一個特殊而有趣的例子是用單細胞分辨率[14]篩選細胞群的可能性。

眾所周知，單個細胞，即使是那些外表相同的細胞，在許多特征上也是不同的。由於這種異質性，傳統的生物化學分析是批量分析細胞，在研究單細胞時無法獲得豐富的信息。單細胞分析允許研究細胞活性和潛在的新生物標記物。對於科學研究和臨床診斷應用，細胞和細胞懸浮液的順序處理和操作變得重要。通常，細胞是在大型環境中培養和分析的，如培養皿。因此，在不受其他細胞影響的情況下，很難分析單個細胞。這些問題可以通過使用微流體[15]來克服。

在亞細胞水平上分析單個細胞或代謝物的組成也至關重要，這將使傳統的細胞分析向前邁進一步。因此，另一個關鍵問題是個性化的傳感方法，允許在單細胞水平[16]達到分析的分辨率。用熒光顯微鏡對細胞進行較長周期的監測。然而，用於特定亞細胞染色的熒光染料幹擾細胞的發育，改變它們的表型和代謝是很常見的。另一個限製是熒光染料的漂白速度非常快。最後，這種技術隻允許研究已知分子。這些方麵使得熒光染色策略相對於無標簽傳感方法[17]不那麼可取。這可以做到，例如，集成等離子體納米器件和拉曼光譜學。

拉曼光譜是一種光學技術，可以獲得樣品的振動光譜。振動譜是由樣品的化學成分決定的。特別地，拉曼效應描述了激光和發射器(如分子)之間的非彈性散射，由發射器的振動或旋轉模式介導。拉曼光譜已被用於測定細胞狀態，如活細胞、死亡細胞、凋亡細胞、增殖細胞、分化細胞、腫瘤或健康細胞。拉曼光譜可以集成在微流體器件中，以對生物樣品(在單細胞上)進行精確控製，允許將其長期留在生理或條件環境中。

這種技術的主要優點是能夠以無標簽的方式進行分析，減少了生物樣品預處理的步驟;由於每種生物物質的特定指紋，分析的特異性以及分析水溶液中的生物物質的可能性。

主要的缺點是在樣品和激勵源之間的相互作用過程中可能發生拉曼效應，這被轉化為非常難以檢測的非常微弱的信號。因此，在微流體器件中集成能夠增強拉曼信號的等離子體納米器件是非常重要的。

這些是金屬納米結構，在激光源的激發下產生表麵等離子激元，在共振條件下，產生靠近它們的發射體的散射增強。一個例子是表麵增強拉曼散射(SERS)。SERS描述了通過將分子置於金屬納米結構或粗糙金屬表麵的近場中來增強拉曼散射。迄今為止記錄的最高增強約為1014，在粗糙的銀表麵上實現，這允許在飛摩濃度下檢測生物樣品，在非常稀釋的樣品[18]中很少分子。最後，納米結構的高空間分辨率允許分解非常複雜的混合物，簡化了生物樣品[19]的預處理協議。

鳴謝

我們感謝歐洲項目EUROMBR的支持。608104)和由衛生部資助的青年研究人員項目“通過集成等離子體納米器件的微流體平台對癌細胞進行高通量分析以進行治療評估”(CUP J65C13001350001，項目號:GR-2010-2311677)授予卡坦紮羅“大希臘”大學實驗與臨床醫學係納米技術實驗室。

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引用:Perozziello G(2016)結合微流體和等離子體動力學用於細胞篩選的創新生物分析工具。生物化學分析研究1(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-5833.e101

版權:©2016 Perozziello G.這是一篇開放獲取的文章，根據創作共用署名許可協議發布，該協議允許在任何媒體上不受限製地使用、發布和複製，前提是注明原作者和來源。

出版的曆史:

  • 收到日期:2016年2月22日

  • 接受日期:2月24日

  • 發表日期:2月29日