在神經(jīng)系統(tǒng)中，各種金屬離子相互關(guān)聯(lián)共同發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。金屬離子的超載或缺乏都會(huì)導(dǎo)致一系列神經(jīng)退行性疾病。因此，神經(jīng)系統(tǒng)中各種金屬離子的檢測(cè)對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)研究和臨床檢測(cè)至關(guān)重要。但是，目前基于大量細(xì)胞樣品的金屬離子檢測(cè)方法會(huì)使個(gè)體細(xì)胞的異質(zhì)性和多種金屬離子之間的精確關(guān)聯(lián)被群體細(xì)胞的平均數(shù)據(jù)掩蓋。而金屬離子的單細(xì)胞分析則有助于我們更好地認(rèn)識(shí)以上問題。

在單細(xì)胞金屬離子檢測(cè)中如何特異性地同時(shí)獲取多種金屬離子的信號(hào)并避免細(xì)胞中復(fù)雜的生物基質(zhì)干擾是該領(lǐng)域研究所面臨的重要挑戰(zhàn)。山東師范大學(xué)唐波教授（點(diǎn)擊查看介紹）課題組針對(duì)以上問題，將微流控芯片電泳技術(shù)與多色熒光檢測(cè)相結(jié)合，成功地實(shí)現(xiàn)了單個(gè)PC-12細(xì)胞中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的同時(shí)檢測(cè)，方法原理如圖1所示。作者首先將細(xì)胞內(nèi)的Na+、K+、Mg2+、Ca2+用熒光探針進(jìn)行衍生標(biāo)記，然后在微流控芯片中，利用液壓結(jié)合電場(chǎng)操控，完成單細(xì)胞的上樣、裝載及捕獲。接下來在高壓電場(chǎng)的作用下細(xì)胞發(fā)生溶膜，衍生化后的四種離子由于具有不同的荷質(zhì)比，可通過芯片電泳得到高效分離。最后，他們利用課題組自行設(shè)計(jì)搭建的多色熒光檢測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)得到單個(gè)細(xì)胞內(nèi)四種金屬離子的電泳譜圖（圖2）。作者通過建立的方法可以順利實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞內(nèi)四種金屬離子的同時(shí)定量檢測(cè)，并且細(xì)胞內(nèi)其他生物分子對(duì)檢測(cè)無干擾。

圖1. 基于微流控系統(tǒng)的單個(gè)PC-12細(xì)胞內(nèi)Na+、K+、Mg2+、Ca2+的同時(shí)測(cè)定原理圖

圖2. 10組單個(gè)PC-12細(xì)胞內(nèi)Na+、K+、Mg2+、Ca2+的電泳譜圖

作者進(jìn)一步將Aβ25-35刺激后的PC-12細(xì)胞作為阿爾茲海默癥的模型細(xì)胞，深入研究了該模型細(xì)胞中四種金屬離子的變化情況。研究結(jié)果表明（圖3），Aβ25-35的刺激會(huì)引起類神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)四種金屬離子的失衡，使K+ 和Mg2+ 的濃度有所下降，Na+ 和Ca2+濃度則有所升高。作者對(duì)于四種離子濃度變化的原因也做了進(jìn)一步分析。該研究方法為單細(xì)胞水平多種金屬離子的同時(shí)分析提供了新的思路，研究結(jié)果為細(xì)胞內(nèi)多種金屬離子如何協(xié)同作用調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性疾病的研究提供了新的依據(jù)。這一成果近期發(fā)表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者為山東師范大學(xué)的青年教師李璐。

圖3. （A）Aβ25-35刺激前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+濃度變化的正態(tài)分布圖；（B）Aβ25-35刺激前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+濃度變化的柱狀圖

原文出處：Lu Li, Yuanyuan Fan, Qingling Li, Renjie Sheng, Haibin Si, Juan Fang, Lili Tong, and Bo Tang，Simultaneous Single-Cell Analysis of Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ in Neuron-Like PC-12 Cells in a Microfluidic System，Anal. Chem., 2017, 89, 4559, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b05045

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