【讲座回顾】用于快速诊断和细胞分选的单细胞微流体
2022/3/17 11:14:38 生物密探
生物密探 iSpyBio
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活动介绍
主办方
生物密探 iSpyBio
赞助商
英国剑桥 Biorbyt Ltd.
浙江玉安康瑞生物 YK Biotech
支持企业武汉柏乐辉生物，西安博金生物，南京伟沃生物
活动计划：此次活动是由【生物密探】公众号主办，英国剑桥biorbyt生物技术公司和浙江玉安康瑞生物科技有限公司联合赞助的国际科学公益讲座。我们将定期邀请国内外知名高校和研究机构不同领域的学者，进行科学探讨讲座。每次讲座将分为嘉宾主讲和会后提问讨论两个环节，欢迎大家积极参与。
讲座主旨：学习探讨科学前沿，挖掘探索生物奥秘。
讲座第十期
2月25日第十期生物密探中外讲座，也是2022年的第一场讲座，我们有幸邀请到了英国格拉斯哥大学生物医学工程教授尹华兵博士，给我进行了《用于快速诊断和细胞分选的单细胞微流体》的学术讲座分享。
尹华兵 教授，格拉斯哥大学生物医学工程教授。她于2002年获得英国斯旺西大学化学工程博士学位，并于2006年被授予享有盛誉的爱丁堡皇家学会个人研究奖学金。尹博士于2007年在格拉斯哥大学任职讲师，并分别于2011年晋升为高级讲师，2017年被评为教授。尹教授的研究重点是开发先进的装置和方法来研究生命和环境科学中的微观现象。她是国际公认的单细胞技术、微流控和集成生物传感器科学家。特别是，她是将微流控平台与先进的成像和光谱技术结合起来进行单细胞分析的专家，包括拉曼光谱和原子力显微镜。她的工作是高度跨学科的，并且在RCUK(EPSRC，BBSRC，NERC)、慈善组织和行业的资助下，她在多个跨学科的合作项目方面拥有出色的成绩。她在国际知名期刊上发表了 90 多篇同行评审的出版物，h指数高达38。
Professor Huabing Yin Web:
https://www.gla.ac.uk/schools/engineering/staff/huabingyin/
讲座摘要
个体表型差异在生物学中普遍存在。然而，使用传统的基于培养的方法从复杂的微生物种群中分离和研究关键个体并非易事。不仅所需的系列稀释费力，而且大多数天然存在的微生物还可以培养。通过将微流体与无标记成像和拉曼光谱相结合，我们展示了这些平台在研究具有单细胞分辨率的微生物群落方面的巨大潜力。我们展示了单细胞微流体可以在数小时内进行快速的抗生素敏感性测试以及对抗生素耐药性传播的新机制研究。自动拉曼活化细胞分选技术允许基于其生理活动直接从其天然液体中以高通量连续分选单个细胞。因此，它们为微生物学研究提供了强大的工具，在临床诊断、环境科学、合成生物学和药物发现中具有许多潜在的应用。
讲座回顾
尹教授先简单介绍了格拉斯哥大学，是一座拥有570多年历史的学校，诞生了许多杰出的科学家和学者，欢迎大家来格拉斯哥大学学习和参观。
尹教授本次讲座分享了她的课题组在这个领域的工作方向，主要是单细胞微流体用于快速诊断和细胞分选的应用。侧重于在微观尺度上，尤其是单细胞尺度上来研究生物学问题，主要应用有癌症研究，组织再生，快速诊断以及微生物学研究。
为了在微观水平上进行研究，就需要一定的技术平台和技术工具。包括单细胞微流体、纳米级别芯片技术以及单细胞分析的技术手段，通过集成数据平台以及单细胞分析。
为什么需要在单细胞层面上进行研究？
每一个生物体都有它独特的特征，即便是同卵双胞胎也具有不一样的指纹。传统的生物学一般是在群落的层次上，只能对群落进行平均的分析评估，无法做出精准的个体分析。为了深入解释各种生物现象，就需要在单细胞层面进行研究。
传统的单细胞分析首先需要进行单细胞分离，通过梯度系列稀释和长时间培养获得单菌落/细胞。
而微流体可以省略稀释和培养步骤，是快速进行单细胞分离的有效工具。微流体是一个很小的器件，它的工作通道尺寸和细菌/细胞接近，可以在时间和空间上精确地控制每一个单细胞。
在动物细胞水平上，微流体的应用已经较成熟了，包括单细胞高通量筛选，全细胞分析，细胞序列分析等。但是在微生物和细菌的层面，微流体的发展还比较滞后。因为一方面细菌和微生物较小，不同细菌大小不一，而且还可以游动，对微流体平台建设是较大的挑战。另一方面，荧光技术在微生物领域发展也比较滞后。
为了解决这些问题，尹教授的实验室将融合工程材料和各种技术建立自动化平台，通过利用微流体准确控制单细胞及其环境，结合先进的细胞测量技术，着重进行无标记(Label-free)直接测量活细胞进行分析研究。这次讲座将重点介绍尹教授实验室的单细胞成像(Single-cell Imaging)和拉曼技术(Raman technique)。
如何将微流体和单细胞成像结合起来？
梯度微流体装置可实现快速抗生素敏感性测试，通过在微流体装置平台上追踪细菌进行其生长特征分析, 只需要不超过5小时就可以完成细菌最小抑制浓度 (MIC) 的快速定量，相比需要花费几天进行细菌分离和培养的传统方法，大大提高了效率。这在医学疾病诊断上是非常有意义的。
在单细菌的成像观察上，可以观测到新的现象，寻找到新的解决方法。将单细胞成像与荧光技术结合可以观察细菌基因的转移，比如细菌耐药性的深入分析。
微流体设置可以广泛地应用在临床微生物学，环境微生物学，工业生物技术，药物研发的领域；可以观察到传统生物学方法无法获得的信息，比如整个群落的变化，单个细菌动态变化和定量特征，跟踪的时间过程，细胞与细胞间的相互作用，细胞对压力的反应，细胞基因转移的动态过程。
在环境和人体内，很多微生物无法体外培养，那如何进行单细胞观察分析呢？这就需要涉及拉曼技术。拉曼光谱分析法是对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。但是拉曼信号是非常弱的，这个对于检测是一个非常大的挑战。
如果可以对某个单细胞采集拉曼图谱，就可以获得该细胞所有分子的信息，比如DNA，蛋白。光谱用于研究微生物的优点是，因为微生物非常小，拉曼图谱可以快速在自然条件下进行图谱采集，获得细菌本身的数据。
比如要研究细胞新陈代谢的功能，可以将拉曼技术与稳定同位素元素结合起来分析。
可以利用拉曼图谱代替荧光进行细胞分选，获得感兴趣的目标细胞。目前现有的拉曼激活细胞分选(RACS)是通过流式的方式，先将细胞抓住，然后采集单细胞拉曼图谱，再进行目标细胞分选，对细胞通量有所限制。另一方面拉曼图谱的信号很弱，就要求分选的速度非常慢，两者相互受到限制，这就对拉曼单细胞分选造成较大的挑战。
为了解决这个问题，尹教授团队通过设计微流体的芯片，保证在拉曼测试流体区的稳定性。当细胞进入拉曼测试流体区，细胞的拉曼图谱会被迅速捕获，确定是目标功能细胞后再开启下游的分选功能，将功能细胞分选到收集通道里。这个方法的优点是在正确的拉曼采集条件下，不影响细胞活力和生长。
拉曼激活细胞分选(RACS)可以当作一个流式技术，获得很多分析数据，结合机器学习还可以获得更多图谱，机器学习识别分类器以进行动态识别。
那如何将这个平台应用到环境微生物中？环境的微生物群落比较复杂，大小不同，而且并不知道微生物种类。而微流体是一个很小的通道，为了适应环境中各种微生物的大小，尹教授团队又开发了3D 流动聚焦拉曼活化细胞分选(3D flow focusing Raman Activated cell sorting), 这个通道较大，可防止较大微生物的堵塞，并且可以12小时较稳定地运行。
这个3D平台可以完全适应复杂的微生物群落，有许多优点：1)减少背景，可采集微观的更小信号更弱的细菌；2)分选速度较快310 cells/min ；3)分选纯度高，可达到93%。
RACS平台的优势体现在：1)自动化系统根据信号细胞拉曼光谱对单个细胞进行分类；2)连续自动化过程无标签；3)将单个细胞的表型和基因型特性联系起来；4)可以根据细菌的拉曼图谱找出细菌的特征功能，把细菌选取出来进行下一步操作，比如选择性培养或者功能分析。5)这个平台应用很广，可以做普通的拉曼图谱(SRS)，也可以做增强型的拉曼分析(SERS)，这个平台完全可以和流式技术结合起来。
讲座总结
1. 单细胞微流体能够实时监测单个细胞，揭示群体中隐藏的多样性并提供医学诊断工具(例如 ABR)。
2. 单细胞拉曼技术提供了一种很有前途的无培养方法来连接细胞活性和特性。
3. RACS仍处于早期阶段，所有现有的 RACS 方法都有其优点和局限性。要实现真正的高通路将依赖于利用增强拉曼信号和无缝同步。
Q&A环节中，尹教授就以下听众问题进行了解答和探讨：
1. 拉曼图谱采集较慢，在流速较快的情况下如何快速捕捉样本？如何定标在采集的细菌上？
2. 拉曼很怕荧光，通常细胞或者细菌有很多荧光，拉曼采集时候如何处理这个荧光问题？
3. 机器学习中，是否可以把某一个峰分析出来进行单独解析？还是结合整个图谱分析?
4. 生物体/细胞对激光强度很敏感，拉曼分析中如何避免解决这个问题？
5. 机器学习的如何与这个RACS结合进行应用？是归类还是预测？
6. 机器学习的数据库是如何建立的？
7. 干细胞是否可以用RACS平台进行分析？与细菌分析相比，区别和困难在哪里？
8. 拉曼可以分析蛋白 3D 结构吗？
9. 您团队的RACS平台是否欢迎对外科研合作或者商业/工业合作应用？
更多细节请查看以下讲座全视频回顾：
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赞助商简介
本次会议由生物密探(iSpyBio)公众号主办，由剑桥校友成立的英国biorbyt和浙江玉安康瑞生物两家公司联合赞助。
英国biorbyt于2011年成立，专注于生命科学和生物技术领域研究，总部位于英国剑桥，并在中国武汉设立办事处。可向全球提供包括抗体、小分子、ELISA试剂盒、蛋白等几十万种的科研产品和相关专业的技术服务。Biorbyt已通过国际标准化(ISO 9001)认证，并且于2021年荣获“英国女王企业奖”。
浙江玉安康瑞生物科技有限公司于2018年成立，在长三角核心区域组建了先进的医药研发和分子生化检测技术平台，设立了“剑桥大学医院共建实验室”、由国际和国内权威专家组成的“国际远程会诊平台”和以“空间记忆沙龙”为特色的脑健康中心。
END
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