广州市皓博仪器仪表有限公司

前言

在癌症的早期诊断与精准治疗中，肿瘤微环境中的生物标志物扮演着至关重要的角色。其中，microRNA（如miR-21）和组织蛋白酶B（Cathepsin B, CaB）的异常表达与肿瘤的生长和转移密切相关。然而，如何在复杂的细胞环境中，实现对低含量生物标志物的高特异性、高灵敏度检测，尤其是在单个活细胞水平上进行原位分析，一直是领域内的巨大挑战。

近期，湖北大学王升富教授和文为教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了一项创新性研究成果。他们设计了一种内源性蛋白酶激活的纳米传感器（PA-NS），巧妙地实现了对单个活体肿瘤细胞内miR-21的“与门”（AND-gated）逻辑双模态检测。

这项研究不仅为癌症的早期诊断提供了新思路，更展示了江苏瑞明生物科技有限公司（Jiangsu Rayme Biotechnology Co., Ltd.）的单细胞分析系统在前沿生命科学研究中的强大应用能力。

创新原理：双重"钥匙"开启精准检测

传统的纳米探针往往存在“始终开启”的问题，缺乏时空选择性，容易导致假阳性信号。为了解决这一难题，研究团队设计了PA-NS系统，它需要两把“钥匙”同时作用才能被激活：

第一把钥匙：组织蛋白酶B (CaB)

这是一种在肿瘤细胞中过表达的内源性蛋白酶。PA-NS纳米传感器上含有一段能被CaB特异性识别并切割的肽链。只有在肿瘤细胞中，这把“锁”才会被打开。

第二把钥匙：miR-21

当CaB切割肽链后，纳米传感器被激活，此时若细胞内存在高表达的miR-21，它会与传感器上的DNA链发生杂交，触发后续的“链置换反应”。

采用双模输出策略在单活肿瘤细胞中特异性检测miR-21的PA-NS原理示意图

这种“与门”逻辑设计，确保了检测信号仅在同时存在高浓度CaB和miR-21的肿瘤细胞中产生，极大地提高了检测的肿瘤特异性，有效区分了肿瘤细胞与健康细胞。

双模态检测：光学与电化学强强联合

该研究的核心亮点在于其双模态（Dual-Model)检测策略，结合了光学成像的直观性和电化学检测的定量能力。

用于miR-21双模型检测的PA-NS示意图

光学信号（Signal "ON")

当PA-NS被激活后，会释放出荧光基团（FAM），产生“开启”的荧光信号。研究人员利用微光纤（microoptical fiber）靠近单个细胞，成功收集到了荧光信号。结果显示，单个肿瘤细胞的荧光强度是健康细胞的约3.5倍。

瑞明生物实时单细胞多功能分析仪光学信号表征。(f) 贴近细胞的微光纤高分辨荧光显微图：(i) 明场；(ii) ~490 nm 激发成像；(iii) Hoechst 染色图像；(iv) 叠加图。(g) 微光纤检测活单细胞（肿瘤 / 正常细胞）中 PA-NS 荧光响应。(h) 490 nm 下 PA-NS 荧光强度箱线图。比例尺：20 μm。

电化学信号（Signal "ON")

与此同时，被释放的另一条DNA链（BHQ-DNA）会与修饰在金纳米电极（Au NE）表面的双链DNA发生置换反应，导致电极表面的电活性分子脱落，产生“关闭”的电化学信号（电流下降）。实验表明，在目标miRNA存在的情况下，电化学响应信号下降约30-40%。

这种互补的双信号输出模式，不仅实现了对miR-21的定性与定量同步分析，还有效降低了假阳性和假阴性结果，显著提升了检测的准确性与可靠性。

瑞明生物实时单细胞多功能分析仪电化学信号结果展示。(e) 不同浓度miR-21电化学检测中PA-NS的I-V特性（插图为I-log C校准曲线，其中I表示电流响应，C表示miR-21的浓度）。（f）miR-21电化学检测的选择性（***P < 0.001）。（g）PA-NS分别与miR-21、CaB单独或共同孵育后的电流响应。

Rayme仪器：赋能单细胞原位分析

在这项前沿研究中，瑞明生物的实时单细胞多功能分析仪扮演了不可或缺的角色。

论文明确指出，研究人员利用配备在单细胞分析系统上的微操纵器（micromanipulator），成功地将修饰好的金纳米电极（Au NE）精准地插入到单个活体HeLa细胞内部，进行原位电化学信号测量。

(左)显示纳米电极插入单个细胞以及通过微光学光纤引导光源以收集单个细胞中光子数量的显微图像。(中)和插入细胞内的纳米电极(右)。比例尺：20μm。

这一操作充分证明了瑞明生物的实时单细胞多功能分析仪在单细胞操纵和原位检测方面的卓越性能：

高精度微操纵：能够稳定、精准地将纳米级电极插入活细胞，而不破坏细胞活性。

原位实时检测：支持在活细胞生理环境下进行实时、动态的电化学信号采集。

多模态集成：系统可与显微镜、微光纤等设备联用，为复杂的多模态单细胞分析提供了强大的硬件平台。

通过这项研究，瑞明生物的仪器再次证明了其在推动单细胞组学、肿瘤异质性研究等领域的巨大潜力，是科学家们探索生命微观世界的得力助手。

新一代实时单细胞多功能分析仪

结语

这项研究不仅开发了一种新颖的、高特异性的肿瘤标志物检测平台，更为我们理解细胞异质性和疾病发展过程提供了可靠的技术基础。瑞明生物仪器很荣幸能为这样的前沿科学研究提供技术支持，未来我们将继续致力于开发更先进的单细胞分析工具，与广大科研工作者一同探索生命的奥秘。

参考文献

Xi,X.,Wu,Z.,Zhang,X.,Li,Y.,Zhao,Y.,Wen,W.,&Wang,S.(2023).EndogenousProtease-ActivatableNanosensorBasedonPNA-Peptide-DNAEngineeringforAND-GatedandDual-ModelDetectionofMicroRNAinSingleLivingTumorCells.ACSAppliedMaterials&Interfaces.https://doi.org/10.1021/acsami.3c02012