论文部分内容阅读
基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是一类能够破坏肿瘤细胞侵袭的组织学屏障的蛋白酶,其活力与肿瘤转移侵袭能力有关。由于肿瘤的异质性,利用群体细胞进行的基质金属蛋白酶平均活力测量,不能正确反映出肿瘤的侵袭能力。本论文开发了一种基于无流动液滴的高通量单细胞实时监测平台用于研究单细胞水平MMP酶活力的差异。研制出了一种可凝固油相,该油相具有良好的生物相容性和透气性,能够在液滴生成后30 min内凝固并固定液滴,不需要捕获结构就能实现对液滴内单细胞进行长时间连续监测。相比于微孔芯片和基于捕获结构的液滴技术,该方法检测通量高,芯片设计简单,操作简单灵活。本论文中测量了研制的可凝固油相的物理和机械性能,以及对液滴中细胞酶活力检测的实验体系进行了优化。通过荧光显微镜定时拍摄来检测单个A549细胞MMP酶活力,发现在单细胞水平上A549细胞的MMP酶活力具有较高的异质性,少数A549细胞具有较高的MMP酶活力。数字PCR技术(digital PCR,dPCR)是一种基于单分子扩增的高灵敏度核酸精确定量技术,在循环肿瘤DNA检测方面具有巨大的应用前景,但较窄的动态检测范围限制了dPCR在实际中的应用。为提高dPCR的动态检测范围,本论文开发了一种自驱动的多重体积dPCR芯片。芯片上含有体积为0.50 nL、2.74 nL、14.34 nL和68.60 nL的4种微反应腔室,整体尺寸大小为2.8 cm×3.1 cm。这款每种微反应腔室仅含有192个反应单元的芯片,其检测上限就能够达到2.0×10~5拷贝,与含有20000个单一体积反应腔室的芯片相当,大大降低了芯片的加工难度。芯片利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的多孔性,无需其他仪器辅助便可实现负压驱动样品精确分配。嵌入芯片内部的水通道层能够有效地抑制PCR反应过程中水分蒸发,保证PCR扩增效率和定量精度。利用系列稀释的18s核糖体质粒对芯片的定量性能进行验证,相关系数达到0.9943,且定量准确性与商业化仪器LifeTech Quantstudio 3DdPCR系统相当。此外,本论文还提出了一种基于液滴微流控技术的高通量多重体积dPCR芯片的设想,通过COMSOL Multiphysics仿真和实验验证,初步实现了多重体积液滴的一步生成。将微流控液滴技术与多重体积dPCR结合有助于进一步提高dPCR的动态范围和检测通量,对多重基因商业化平台的发展有重要参考意义。本论文研制的单细胞酶活力实时检测平台能够灵活高通量地实现单细胞水平MMP酶活力检测,有助于实现对单细胞迁移能力异质性的研究。研制的负压驱动多重体积dPCR芯片拓宽了核酸检测的动态范围,与微流控液滴技术的结合,会进一步提高dPCR的检测通量和动态范围,将会在癌症早期诊断和治疗监控中发挥重要作用。