基于微流控芯片的神经细胞内Na+、K+、Mg2+、Ca2+的同时单细胞分析

在神经系统中，各种金属离子相互关联共同发挥着至关重要的作用。金属离子的超载或缺乏都会导致一系列神经退行性疾病。因此，神经系统中各种金属离子的检测对于神经系统疾病的基础研究和临床检测至关重要。但是，目前基于大量细胞样品的金属离子检测方法会使个体细胞的异质性和多种金属离子之间的精确关联被群体细胞的平均数据掩盖。而金属离子的单细胞分析则有助于我们更好地认识以上问题。

在单细胞金属离子检测中如何特异性地同时获取多种金属离子的信号并避免细胞中复杂的生物基质干扰是该领域研究所面临的重要挑战。山东师范大学唐波教授（点击查看介绍）课题组针对以上问题，将微流控芯片电泳技术与多色荧光检测相结合，成功地实现了单个PC-12细胞中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的同时检测，方法原理如图1所示。作者首先将细胞内的Na+、K+、Mg2+、Ca2+用荧光探针进行衍生标记，然后在微流控芯片中，利用液压结合电场操控，完成单细胞的上样、装载及捕获。接下来在高压电场的作用下细胞发生溶膜，衍生化后的四种离子由于具有不同的荷质比，可通过芯片电泳得到高效分离。最后，他们利用课题组自行设计搭建的多色荧光检测系统，可同时得到单个细胞内四种金属离子的电泳谱图（图2）。作者通过建立的方法可以顺利实现单细胞内四种金属离子的同时定量检测，并且细胞内其他生物分子对检测无干扰。

图1. 基于微流控系统的单个PC-12细胞内Na+、K+、Mg2+、Ca2+的同时测定原理图

图2. 10组单个PC-12细胞内Na+、K+、Mg2+、Ca2+的电泳谱图

作者进一步将Aβ25-35刺激后的PC-12细胞作为阿尔兹海默症的模型细胞，深入研究了该模型细胞中四种金属离子的变化情况。研究结果表明（图3），Aβ25-35的刺激会引起类神经元细胞内四种金属离子的失衡，使K+ 和Mg2+ 的浓度有所下降，Na+ 和Ca2+浓度则有所升高。作者对于四种离子浓度变化的原因也做了进一步分析。该研究方法为单细胞水平多种金属离子的同时分析提供了新的思路，研究结果为细胞内多种金属离子如何协同作用调节神经退行性疾病的研究提供了新的依据。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者为山东师范大学的青年教师李璐。

图3. （A）Aβ25-35刺激前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+浓度变化的正态分布图；（B）Aβ25-35刺激前后Na+、K+、Ca2+、Mg2+浓度变化的柱状图

原文出处：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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