癌症和细菌感染都给人类生命健康带来重大威胁。肿瘤由于其高复发性、高转移性和早期无症状等特点一直困扰着科研工作者,所以需要迫切开发出针对癌症的早期防御、治疗和预后的新方法,在细菌感染病例中,虽然普通细菌感染可以被人体免疫系统清除,但在特定的条件下,部分细菌可以欺骗人体免疫系统,隐藏自身逃避清除,并对人体免疫细胞产生杀伤。目前,对于肿瘤和细菌感染的研究方法有很多是基于大量群体细胞来进行检测和诊断,运用这些传统手段会导致细胞个体间的差异被掩盖,而且对于样品中细胞/细菌数量少的情况下容易产生假阴性结果。而基于单细胞技术的分析方法可以提供细胞个体间差异的关键信息,因此成为生物医学领域中的研究热点。微流控芯片技术的进步为单细胞实验提供了重要平台,具有灵敏性高、样品消耗少、检测方便、性价比高等优点。本论文将包裹了单细胞的微液滴与光学检测技术结合,来发展对重要生物分子进行高灵敏分析的方法,并初步探讨了肿瘤细胞在单细胞水平上的异质性。本论文包括四个章节:第一章:简要概述了微流控技术的发展历程、芯片制备方法、优势特点和应用领域,随后对其中有代表性的微液滴技术进行重点介绍,对于其液滴生成原理、分类、方法和应用进行了回顾性描述。并且结合本论文的具体应用方向,简要介绍了研究肿瘤细胞在分泌乳酸方面、以及巨噬细胞在受细菌刺激后成熟分型的生物学意义。第二章:围绕肿瘤生物学中的能量代谢途径和“Warburgeffect”效应,本章发展了新的方法针对单个肿瘤细胞外分泌乳酸进行灵敏、特异性检测。通过将单个肿瘤细胞包封隔离在纳升体积的液滴中,在催化酶乳酸脱氢酶(LDH)的作用下,乳酸(LA)可与氧化性辅酶Ⅰ(NAD+)作用,生成丙酮酸(PA)和还原性辅酶Ⅰ(NADH),NADH在360 nm的激发光照射下可以发出蓝色荧光。利用该氧化还原反应产生的荧光变化实现高灵敏分析单个肿瘤细胞所分泌的乳酸,并比较了肿瘤细胞系和正常细胞系在乳酸分泌水平的差异。第三章:研究糖酵解通路中的抑制剂对于肿瘤细胞分泌乳酸的影响。本章在上一章的工作基础上,通过将单个肿瘤细胞,抑制剂药物、LDH和NAD+包封在液滴内,来研究在抑制剂作用下的肿瘤细胞的乳酸分泌水平以及能量代谢变化,并揭示了单个肿瘤细胞在不同抑制剂作用下的异质性,为肿瘤细胞药物筛选等方面提供一个有效的平台和工具。第四章:本章是对该技术平台另一个新应用方向的前期工作总结。巨噬细胞在受到外界病原体刺激下可极化成不同类型。本章设计通过质粒构建将分泌型荧光素酶与精氨酸酶启动子融合并转入巨噬细胞。当受到细菌刺激,巨噬细胞发生极化分型,伴随着精氨酸酶代谢的变化,启动精氨酸酶启动子的同时向胞外释放出荧光素酶,可以与底物荧光素分子作用后发出自发光。将该化学发光原理与单细胞液滴技术结合,有望成为在单细胞水平研究巨噬细胞极化和药物筛选的新方法。综上所述,我们发展了微液滴技术来研究单个肿瘤细胞在化合物分子作用下分泌乳酸的差异,并初步尝试研究巨噬细胞与细菌的相互作用。本论文研发的微液滴技术为研究癌症能量代谢途径和细胞/细菌相互作用中的机理、以及药物筛选提供了有用的新工具。