CN112834754B - 一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法 - Google Patents

一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法，属于生物微机电系统、微流控芯片、细胞分析领域。该装置包含高通量单细胞源性细胞外囊泡分析芯片及可成像的便携设备。该芯片由两层结构组成：一层是微阵列芯片；另一层是孵育有抗体的生物分析基底。本发明将单细胞分析技术与免疫金银染色技术结合起来，使得分析结果可以借助可成像的便携设备来记录，克服了现有单细胞分析技术对大型昂贵仪器的依赖，使其成为资源有限环境中对单细胞源性细胞外囊泡分析的理想选择。免疫金银染色的信号对环境的抵抗能力比较强，可以保存数月而不发生明显的变化，这使得该方法更具有户外测量的价值，本发明有望成为单细胞水平的现场诊断技术。

Description

一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法
技术领域
本发明涉及一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法，属于生物微机电系统、微流控芯片、细胞分析领域。
背景技术
传统的群体细胞实验往往是针对于等基因的细胞群的研究，然而，由于转录和翻译过程中基因表达的随机波动或信号通路中的噪声，这些基因型相同的细胞会产生差异，我们把这种差异性叫做细胞异质性。如今，随着个性化医疗的发展，人们希望更准确的理解单个细胞和这些不同的亚群。单细胞分析技术立足于细胞异质性的研究。在药物筛选、肿瘤免疫治疗等方面展现出强大的优势。细胞外囊泡(Extracellular Vesicles,EVs),是由细胞释放的纳米级的囊泡。根据其来源、大小不同分为：外泌体、微泡、凋亡小体等。细胞外囊泡广泛、稳定的存在于各种体液中，并携带有细胞来源的各种生物分子(包括蛋白质、mRNA、miRNA等)。单细胞源性细胞外囊泡的分析对于了解细胞物质运输，信号转导，确定肿瘤类型、阶段、以及监测治疗反应有重要的意义。多色荧光流式细胞术、质谱流式细胞术、酶联免疫斑点检测和基于微流控芯片的技术是目前主流的单细胞分析技术，这些单细胞分析技术依赖于大型仪器，难以推广。
发明内容
本发明结合免疫金银染色技术，构建了高通量单细胞捕获平台，细胞外囊泡的捕获、可视化检测平台。实现了单细胞源性细胞外囊泡的高灵敏度可视化检测，采用便携式平板扫描仪记录检测结果，克服了现有单细胞源性细胞外囊泡分析对大型仪器的依赖，分析了单细胞细胞外囊泡的异质性，其灵敏度与传统的荧光法相当，且具有可视化的优点。本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种便携高通量单细胞源性细胞外囊泡检测装置，所述装置包括高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化芯片和可成像的便携设备，所述高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化芯片包括两部分，从上到下依次为生物分析基底、高通量微阵列芯片。所述生物分析基底，用于细胞外囊泡的捕获、检测；所述高通量微阵列芯片，用于单细胞捕获、培养。所述检测装置采用可视化染色方法对检测结果成像，利用可成像的简易设备记录检测结果。
进一步地，所述生物分析基底为包被有抗体、抗体阵列、DNA、DNA阵列的玻片；所述玻片包括但不限于多聚赖氨酸、聚苯乙烯玻片。
进一步地，所述高通量微阵列芯片为微孔阵列芯片或者条带阵列芯片。
进一步地，所述微孔阵列包括但不限于正方形阵列、圆形阵列。
进一步地，所述单细胞外囊泡包括但不限于外泌体、癌小体、凋亡小体。
进一步地，可成像的便携设备包括便携式平板扫描仪。
高通量属于本领域内专有名词，指同时对数以万计个细胞进行测试。
本发明还提供了一种便携高通量单细胞源性细胞外囊泡装置的可视化检测方法，该芯片可用单细胞源性细胞外囊泡的捕获、定性、定量可视化分析。
一种便携高通量单细胞源性细胞外囊泡装置的可视化检测方法，包括如下步骤：
将细胞均匀的接种在高通量微阵列芯片上，盖上孵育过捕获抗体的生物分析基底，形成一个个微小的腔室，单细胞被捕获在这些腔室中；用夹具固定生物分析基底与高通量微阵列芯片；将其放入37℃，5％CO2培养箱中孵育；孵育完成后，在生物分析基底上滴加生物素化的检测抗体，与被捕获的细胞外囊泡结合；滴加亲和素化金纳米颗粒，与生物素结合；滴加银染色试剂，完成对所捕获的细胞外囊泡的染色；利用便携式可成像设备记录检测结果，利用图像灰度分析得出结果。
进一步地，细胞接种个数为2×104—8×104个。
进一步地，用夹具固定后放入培养箱中孵育4-48h。
进一步地，所述生物素化的检测抗体包括生物素化的CD63。
进一步地，所述便携式可成像设备包括便携式平板扫描仪。
本发明的优点在于：
1、本发明结合了单细胞分析技术与免疫金银染色技术的优点，分析结果可以借助平板扫描仪来记录，克服了现有单细胞分析技术对大型仪器的依赖，是资源有限环境中单细胞源性细胞外囊泡分析的理想选择；
2、与传统的荧光染色信号相比较，免疫金银染色的信号对环境的抵抗能力比较强，可以保存数月而不发生明显的变化；
3、本发明中的高通量微孔阵列芯片，可以通过简单的方法，实现在体外环境中单细胞的捕获和培养。
附图说明：
图1为本发明实施例1中的便携高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化分析芯片的结构示意图；
图2为实施例1高通量微阵列芯片及其局部放大图；
图3为实施例1高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化分析芯片用于单细胞源性细胞外囊泡分析时的示意图,1是夹具，2是生物分析基底，3是高通量微阵列芯片；
图4为实施例1中生物分析基底上孵育抗体均一性测试图；
图5为扫描仪光强均一性测试图；
图6为实施例1Pri-oscc单细胞源性CD9+CD63+EVs分析部分结果扫描图；
图7为实施例1Pri-oscc单细胞源性CD9+CD63+EVs分析结果散点图；
图8为实施例1免疫金因染色法信号稳定性测试图；
图9为实施例2群体细胞源性细胞外囊泡可视化分析芯片结构示意图；
图10为实施例2Pri-oscc群体细胞源性CD9+CD63+EVs分析结果图。
图中，1、生物分析基底；2、高通量微阵列芯片；3、夹具。
具体实施方式：
本发明所使用的实验试剂均为市购，如表1所示。
表1.本实施例所用试剂列表
Figure BDA0002285545450000041
实施例1
本实施例为一种便携式高通量单细胞源性细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法，如图1-图3所示。涉及一种高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化分析芯片的制作及其应用，如图1所示，所述高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化分析芯片由上到下包括两层结构：分别为生物分析基底1和高通量微阵列芯片2，所述生物分析基底为孵育有抗体的多聚赖氨酸玻片，用于捕获单细胞源性细胞外囊泡，所述高通量微阵列芯片2，所述高通量微阵列芯片2为PDMS(聚二甲基硅氧烷)微阵列芯片，用于单细胞的捕获和培养；采用免疫金银染色技术，对单细胞源性细胞外囊泡进行可视化分析，借助便携式平板扫描仪来记录检测结果，检测结果如图6所示。
所述孵育抗体的多聚赖氨酸玻片每次可以孵育一种抗体，抗体种类可变，可根据细胞选择任何一种抗体。抗体均一性测试如图4所示。
所述高通量微阵列芯片包含11400个直径为150μm的圆孔，如图2所示。所述高通量微阵列芯片由正方形单元阵列组成，每个正方形单元由微孔阵列组成，所述微孔的形状包括正多边形、矩形或圆形。
所述便携式平板扫描仪(爱普生V19平板扫描仪)，光强均一性测试如图5所示，在扫描区域随机选取1000个圆形区域测试光强，求得C.V.值为0.25％，说明该平板扫描仪扫描过程中光强是均匀的。
高通量微阵列芯片2的制备方法如下所述：
1、采用软光刻技术制作硅片模板。该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图案，然后通过刻蚀工艺将掩模上的图形转化到衬底上，本发明中所用的衬底是直径为10cm的硅片。PDMS芯片规格如下：PDMS微孔阵列包含11400个直径为150μm的微孔，制备流程如下：
(1)将硅片置于105℃热板上加热10min，除去硅片上吸附的水；
(2)根据实验所需结构的厚度，调节匀胶机转速。本发明中所需微孔高度为75μm，转速和时间分别为500rpm 18s，1000rpm 60s；
(3)将适量的SU8-3035光刻胶倒在硅片中心，按照预设的转速甩胶，以在硅片表面建立均匀且没有缺陷的光刻胶膜；
(4)将硅片置于95℃的热板上前烘30min，去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与硅片的粘附力及胶膜的机械擦伤能力；
(5)待硅片冷却至室温后，把所需图形的掩模版在硅片表面上准确定位，通过曝光将图形转移到光刻胶图层上。曝光机光强为：9mw/mm2曝光时间为22s；
(6)将硅片置于95℃热板上后烘约1min，此时，掩模版图案出现在在光刻胶上。
(7)待硅片冷却至室温后显影，该步骤目的是去除未光聚合的光刻胶，本发明中所用显影剂为乳酸乙酯，显影时间为八分钟。显影完成后，用异丙醇清洗乳酸乙酯。
(8)将硅片置于165℃的热板上加热30min，使溶剂继续蒸发，使光刻胶与硅片更好的贴合。
(9)将制作好的硅片模板置于三甲基氯硅烷气氛中24h，以形成疏水化膜，便于PDMS与硅片模板分离。
2、灌注硅片模板
(1)将RT615型A胶、B胶按照10：1的比例混合，搅拌均匀，待气泡消失后倒在硅片模板上；
(2)80℃加热1h，PDMS固化；
(3)将PDMS与硅片模板分离，切去有结构部分的PDMS备用。
上述PDMS微孔阵列芯片用于培养原代口腔鳞癌细胞(Pri-oscc)，利用免疫金银染色对细胞外囊泡成像，用便携式平板扫描仪记录检测结果。在单细胞水平上分析细胞外囊泡，研究细胞与细胞间分泌细胞外囊泡的异质性，实验装置如图3所示。实验步骤如下：
1、提取原代细胞
(1)取新鲜的临床患者口腔内口腔鳞癌肿瘤组织，在无菌条件的冰上，用含有1％双抗的DPBS(杜氏磷酸缓冲液)冲洗组织，并剔除脂肪、结缔组织、血管等杂物；
(2)在无菌条件的冰上，将组织切成1mm2组织块，用含有1％双抗的DPBS冲洗组织块；
(3)在37℃，5％CO2培养箱中，用0.25％胰蛋白酶消化组织,每隔5min振荡一次，消化20-40min后，加入DMEM高糖完全培养基(10％FBS+1％双抗+89％DMEM高糖基础培养基)或胰蛋白酶抑制剂来终止消化，在溶液中吹打组织形成组织悬液；
(4)将组织悬液离心，转速1000rpm，时间5min，弃掉上清，加入I型胶原酶，置于37℃恒温振荡摇床振荡，至组织变为絮状物。
(5)将I型胶原酶消化过的组织置于37℃，5％CO2的培养箱中静置5min，然后将絮状沉淀均匀的放置在I型胶原酶包被过的培养皿中；
(6)将皿置于37℃，5％CO2培养箱中培养1h，滴加少1mL糖完全培养基细胞贴壁、生长。定期换液，待细胞状态良好时用于实验。
2、孵育抗体
(1)将CD9抗体用DPBS稀释至10ng/mL，均匀的铺展在多聚赖氨酸玻片上，在4℃过夜孵育；
(2)3％BSA封闭玻片1h；
(3)将玻片依次用DPBS、去离子水清洗，用玻片甩干机甩干，备用。在多聚赖氨酸玻片上孵育抗体的均一性测试如图4所示，在扫描区域随机选取1000个圆形区域测试光强，求得C.V.值为3.16％。
3、捕获单细胞
(1)将PDMS微阵列芯片用等离子plsma处理；
(2)将Pri-oscc细胞用胰酶消化，用浓度为2μmol/L的钙黄绿素染色30min；
(3)调节细胞密度为2×104cells/mL，取200uL细胞悬液均匀的滴加在微阵列芯片上。
(4)将孵育过抗体的玻片盖在PDMS芯片上方，此时，单细胞会被囚禁在微孔中；
(5)用夹具将玻片与芯片夹紧，将其放入37℃，5％CO2培养箱中孵育；
(6)孵育30min后，用尼康全自动荧光倒置显微镜成像，对捕获的细胞进行定位。
4、对单细胞分泌细胞外囊泡结果的分析
(1)将上述芯片在37℃，5％CO2培养箱中孵育18h后取出，此时玻片上捕获到了待检测的细胞外囊泡。拆夹具，取下玻片，用3％BSA封闭1h；
(2)在玻片上均匀滴加200ul Biotin-Anti-Human CD63,孵育1h。
(3)用1％BSA冲洗玻片，在玻片上均匀的滴加200ul Streptavidn-goldnanoparticles，孵育30min；
(4)按照硝酸银染色试剂盒中推荐的步骤，将试剂盒中的溶液A和溶液B按照1：1混合，均匀的滴加到玻片上，显色时间为8min，显色过程注意避光；
(5)显色完成后，用0.05％tween20水溶液冲洗玻片，以去掉非特异性吸附的银颗粒；
(6)用爱普生V19平板扫描仪便携式平板扫描仪记录检测结果，检测结果扫描图如图6所示。
5、结果分析
本实施例结果如图6-图8所示，图6左侧图为Pri-oscc单细胞源性CD9+CD63+EVs部分结果扫描图，右图为细胞与其所分泌的CD9+CD63+EVs对应图；图7为Pri-oscc单细胞源性CD9+CD63+EVs分析结果散点图，该细胞CD9+CD63+EVs分泌率为6.96％；免疫金银染色的信号对环境的抵抗能力比较强，图8为免疫金因染色法信号稳定性测试图，对一个信号点进行追踪发现，45天后的信号强度能达到初始信号强度的97.8％。
实施例2
本实施例为一种便携式群体细胞源性细胞外囊泡检测装置及可视化检测方法，如图9—10所示，涉及一种芯片的制作及一种信号扩增的方法。该芯片如图9所示，一层是生物分析基底层1，另一层是圆孔阵列PDMS芯片2。
所述生物分析基底1为孵育了条形CD9抗体的多聚赖氨酸玻片。
所述圆孔阵列芯片为含有4个内径6mm圆孔的PDMS芯片。
所述信号扩增的方法为酪胺信号扩增法。
在培养皿中收Pri-oscc细胞48h的条件培养液，用于群体细胞实验，对上述单细胞实验的结果进行验证。
1、收集条件培养液
(1)在培养皿中，用含有超滤血清的DMEM高糖培养液培养Pri-oss细胞，连续培养48h，收集条件培养液；
(2)用500×g 15min，2500×g 20min的转速离心上述条件培养液，取上清液备用。
2、孵育抗体
(1)将直通道PDMS芯片与多聚赖氨酸玻片80℃热键和30min；
(2)使生物分析基底上充满抗体，4℃孵过夜，得到孵育了条形抗体的多聚赖氨酸玻片。
3、孵育样本
(1)将圆孔芯片与孵育了抗体的多聚赖氨酸玻片等离子键合；
(2)在a、b两孔中加入上述条件培养液；在c、d两孔中加入PBS作为阴性对照。
4、细胞外囊泡检测
(1)在圆孔中加入Biotin-Anti-Human CD63，孵育1h；
(2)按照酪胺信号扩增试剂盒中推荐的步骤，对a、c两孔进行信号扩增；
(3)滴加Streptavidn-gold nanoparticles，孵育30min；
(4)按照银染色试剂盒中推荐的步骤，进行显色反应，显色时间为8min，显色过程注意避光；
(5)用便携式平板扫描仪记录检测结果。
5、数据处理
本实施例分析结果如图10所示，a、b两孔中是含有细胞外囊泡的条件培养液的分析结果，与b孔信号相比，a孔的信号明显增强，说明采用酪胺信号扩增技术，对群体细胞实验信号有了较强的放大作用。c、d两孔是阴性对照，其信号强度没有明显的增加，说明采用酪胺信号扩增技术对背景影响不明显。

Claims (10)

1.一种便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，所述装置包括高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化芯片和可成像的便携设备，所述高通量单细胞源性细胞外囊泡可视化芯片包括两部分，从上到下依次为生物分析基底（1）、高通量微阵列芯片（2）；
所述便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，包括如下步骤：
在高通量微阵列芯片上接种细胞，在生物分析基底上滴加生物素化的检测抗体，与被捕获的细胞外囊泡结合；利用免疫金银染色技术，对所捕获的细胞外囊泡染色，利用可成像的便携设备进行检测。
2.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，所述生物分析基底（1）为包被有抗体、抗体阵列、DNA、DNA阵列的玻片；所述玻片包括多聚赖氨酸、聚苯乙烯玻片。
3.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，高通量微阵列芯片（2）为微孔阵列芯片或者条带阵列芯片。
4.根据权利要求3所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，所述微孔阵列包括正方形阵列、圆形阵列。
5.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，所述单细胞外囊泡包括外泌体、癌小体、凋亡小体。
6.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，可成像的便携设备包括便携式平板扫描仪。
7.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，所述便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，包括如下步骤：
将细胞均匀的接种在高通量微阵列芯片上，盖上孵育过捕获抗体的生物分析基底；用夹具固定生物分析基底与高通量微阵列芯片；将其放入培养箱中孵育；孵育完成后，在生物分析基底上滴加生物素化的检测抗体，与被捕获的细胞外囊泡结合；滴加亲和素化金纳米颗粒，与生物素结合；滴加银染色试剂，完成对所捕获的细胞外囊泡的染色；利用便携式可成像设备记录检测结果，利用图像灰度分析得出结果。
8.根据权利要求7所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，在滴加亲和素化金纳米颗粒前，按照酪胺信号扩增试剂盒进行信号扩增。
9.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，细胞接种个数为2×104—8×104个。
10.根据权利要求1所述的便携高通量单细胞外囊泡检测装置的可视化检测方法，其特征在于，用夹具固定后放入培养箱中孵育4-48h。
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