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为细胞分析创造新工具——访清华大学林金明教授

仪器信息网 2019/11/15 14:52:35 点击 2937 次
默克工艺
[导读] 中国分析测试协会与仪器信息网联合采访清华大学林金明教授。

  仪器信息网讯 细胞是生命体最基本的结构和功能单元。对细胞及其代谢物的分析对于疾病诊断、药物筛选、细胞识别、细胞定量、细胞代谢、细胞生理过程和细胞相互作用等研究具有重大意义。然而由于细胞具有尺寸微小(微米级)、内部待测物含量少等特点,想对细胞进行精准操控,进行高灵敏度检测和高通量分析并非易事。

  为此,清华大学林金明教授课题组开始采用微流控芯片系统和质谱系统进行细胞共培养和细胞分析的研究,并于2010年开始陆续发表一系列高水平相关论文,先后在国内外重要学术期刊上发表研究论文100多篇,申请国家发明专利20余项,获得授权发明专利10余项。2016年,林金明教授课题组在自主研发的多通道微流控芯片质谱联用接口的基础上,结合岛津先进的质谱检测仪器,与岛津公司合作,开发了新一代细胞微流控芯片-质谱联用细胞分析系统(Cellent CM-MS,Cell Microfluidics-Mass Spectrometry)。

  自2017年9月起,清华大学联合岛津中国在北京、广州、上海、成都、沈阳等地陆续举办了七期 “微流控芯片质谱联用细胞分析讲习会”,将微流控芯片质谱联用技术及其在细胞培养、药物筛选领域的最新研究成果展示给高校、研究所及企业的众多专家学者。2019年10月23-26日,在京召开的第十八届北京分析测试学术报告会暨展览会(BCEIA2019)上,这台Cellent CM-MS系统得到隆重展出。林金明教授作为主席,还于BCEIA2019期间组织召开了“微流控与细胞分析论坛”。

  关于细胞分析的研究热点,CM-MS用于细胞分析的优势及前景,以及林金明教授接下来的研究兴趣点,请看中国分析测试协会与仪器信息网在BCEIA2019期间的联合采访:

  分析化学进入“细胞时代” 亟需新技术与新方法

  古人云,“真金不怕烈火烧”。早在数千年前,人们已经能够使用试金石以鉴定金的成色,通过火烧的方式来识别金和铜,这是早期的元素分析。可以说分析化学最早是从元素这一阶段开始萌芽。

  伴随科学技术的不断发展,分析化学的研究对象开始从元素拓展到小分子、中等分子、大分子及超大分子,与之对应的分析方法不断进步,自上世纪60年代起接连诞生了针对小分子分析的GC-MS方法,针对中等分子进行分析的LC-MS方法,以及针对DNA、蛋白质等大分子及超大分子分析的CE-MS方法。但随着细胞研究重要性的日益显现,仅有这些分析方法还远远不够。

  林金明教授解释说:“我们知道人体的组织是由分子构成,但分子最终堆积成了一个个有生命特征的细胞。自1665年英国科学家Hooke首次发现细胞,并创立细胞学说以来,细胞的培养方法100年来一直停留在培养皿的状态,给细胞分析与生命研究带来很大的困难,我一直在想怎么改进它。所以就想到了把细胞在培养皿中的培养方式放到微流控芯片上,再结合质谱分析,既有利于细胞的观察,也更方便细胞代谢物质末端的检测。”

  CM-MS有望成第四代装置 为细胞分析提供新思路

  据了解,由清华大学与岛津公司共同研发的CM-MS系统由细胞培养基注入系统、细胞培养芯片系统、代谢物富集分离系统和质谱检测系统四部分组成,能够实现多通道芯片细胞培养、显微观察、细胞代谢富集与分离、高灵敏质谱检测等多种功能。该系统还具备多通道芯片与质谱联用、细胞共培养、细胞形态分析三大特点,有望成为目前最有效的细胞研究手段之一。

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新一代细胞微流控芯片-质谱联用系统

  有数据显示,细胞生物学诞生以来,全球每年有超过100万人使用培养皿进行细胞研究,一个培养皿看着不到一元钱,但计算下来也是一笔庞大的使用与废弃量。相比传统方法,引入微流控芯片能够实现对溶液、溶剂的精准控制,让细胞的变化过程变得动态、实时、自动化可见。未来在封闭的通路中,除了细胞分析外,还可以开展病毒、细菌等相关研究。林金明教授表示:“可以想象,如果微流控芯片方法可以替代目前用了数百年的传统培养皿方法,对产业而言将是多么大的推动,对科学技术而言也将是一个获取大量数据的重要手段。”

  眼下,CM-MS的应用领域主要集中在科研、临床、新药开发、环境有毒有害物质与食品营养物质研究等领域。不过林金明教授表示:“随着仪器性能的不断完善,未来将有可能扩展更多的应用领域。我想芯片质谱未来一定会成为继气相色谱质谱、液相色谱质谱、毛细管电泳质谱之后的第四代装置。所以我们非常幸运,能以中国人研究为主导、通过合作研发方式将微流控芯片质谱联用这一技术推向全中国、推向全世界。”

  不止于质谱 微流控芯片的多种可能

  林金明教授在采访中提到:“当然分析化学里面最后的物质检测也十分重要。质谱是一款功能强大的装置,采用不同的能量转化、电子转移或者离子结合等技术,能够把不同分子快速、高效地变成离子,在质谱分析器中得以分离和检测,从而实现多组分的定性定量分析,帮助研究者获得更加准确、丰富的研究结果。然而在开展特定组分或已知物质的分析时,微流控芯片也可与光、电等其他检测技术相搭配”。

  “例如电化学就是一个非常好的联用技术,它可以集成在芯片通道上,对特定的关键化合物进行传感,探索细胞从生长到凋亡的生命全过程。当然也可以用荧光,引入其他成像技术。如果能把光谱、色谱、质谱、电化学及其他检测手段都集成上去,未来不仅是细胞,微流控芯片在其他物质的分析检测中也将大有用武之地。除细胞分析之外,微流控芯片有望成为其他研究领域的‘共享平台’。”

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林金明教授在展会期间介绍CM-MS最新成果

  回到林金明教授的研究兴趣点:“纵观人类的成长过程,不论是诞生或死亡,无一不是从单个细胞开始的。所以整体细胞的培养研究固然关键,但单个细胞的分析探索也同样重要。最近我对单细胞分析及其在整体细胞中的关联性研究产生了非常大的兴趣。”

  2018年3月,林金明教授课题组在《德国应用化学》发文,揭示了细胞粘附强度与细胞活性之间的关联,并为单细胞质谱、单细胞电泳、单细胞基因检测等提供了一种新的样品提取方法。单细胞的研究工作如今已成为林金明教授课题组的研究重点:“要研究单细胞损伤及修复机制,观察修复后细胞内部基因、蛋白质等组织机构是否发生变化,这涉及到更为精准、细致的分析过程,更需要与仪器达成默契互动。希望CM-MS系统与细胞培养形成良好呼应,而关于单细胞及其对整体细胞影响的研究,我想在这些方面再加把劲。”

[来源:仪器信息网]  未经授权不得转载
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