在异质性细胞群中选择特定细胞并对其进行靶向荧光标记，有助于研究单个细胞的生物学功能和生理状态。因此，发展高时空分辨荧光分子靶向标记技术，对单个活细胞进行精准荧光标记，对于单细胞分析十分重要。近日，华东理工大学钱若灿副教授（李大伟教授和钱若灿副教授课题组）利用尖端直径约100 nm的纳米电极，对单个活细胞的不同亚细胞域进行了高分辨荧光标记，实现了三种不同荧光探针的动态传输，并利用多物理场数值模拟对不同荧光分子在细胞内的传输过程进行了建模，最后讨论了纳米粒子靶向给药的可行性。相关成果发表于《分析化学》（Analytical Chemistry）。
目前，常见的细胞传递和荧光标记技术包括病毒载体运输、细胞外囊泡传递、阳离子聚合物包裹传递、脂质体囊泡运输等；此外机械传输技术也得到了广泛应用，如超声波、电穿孔等。近年来，基于玻璃纳米电极的电化学方法发展迅速，具有侵入性小、电流可控、高时空分辨等优点，在靶向亚细胞域的研究中展现出极大的潜力。据此，本工作发展了一种基于玻璃纳米电极的高分辨单细胞荧光灌注策略，将三种不同荧光分子精准、快速地灌注到单个活细胞内，并建立了不同荧光分子的动态传输模型。如图1所示，三种染料分子Cy5、FITC和DAPI被填充到尖端直径为100 nm的玻璃纳米电极中，通过调节微操系统，将纳米电极尖端精准定位到单个活细胞，在电压驱动下染料分子可快速进入细胞从而实现荧光标记。荧光成像显示Cy5和FITC分布于细胞质，而DAPI则集中于细胞核。随着外加电压增大，荧光强度也随之增加，表明进入细胞的染料分子数量受外加电压调控。进一步，通过多物理场数值模拟软件Comsol，作者分别对纳米电极中染料分子的传输及其进入细胞的运动进行建模（图2）。结果表明，在细胞质中的荧光分子Cy5和FITC主要表现为基于染料本身的布朗运动，不具有靶向能力；而DAPI对于细胞核的靶向标记源于DAPI与核染色质的特定结合。通过比较非靶向染料（Cy5和FITC）和核靶向染料（DAPI）之间的不同传递模式，本方法展示了基于玻璃纳米电极的传感策略在单细胞荧光标记上的成功应用，有望进一步用于单细胞手术、亚细胞操作和基因传递等研究。
图1. 基于纳米电极实现荧光分子（Cy5、FITC和DAPI）的单细胞灌注。
图2. 基于纳米电极的荧光分子在细胞质和细胞核的不同传递模式。上述研究工作由华东理工大学博士后吕键（第一作者）和博士生汪肖原（共同一作）在钱若灿副教授（通讯作者）的指导下完成。该工作得到了华东理工大学李大伟教授的建议和帮助，并得到了结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心的支持以及国家自然科学基金、上海市科委等项目资助。Specially Resolved Single Living Cell Perfusion and Targeted Fluorescence Labeling Based on NanopipettesJian Lv, Xiao-Yuan Wang, Xin-Yue Zhou, Da-Wei Li, and Ruo-Can Qian*Anal. Chem., 2022, DOI: 10.1021/acs.analchem.2c02537
钱若灿，华东理工大学化学与分子工程学院副教授，博士生导师。本硕博就读于南京大学化学化工学院，于2014年获分析化学博士学位，同年10月进入华东理工大学化学与分子工程学院从事博士后研究工作，2016年留校任特聘副研究员、硕士生导师，2019年任副教授。致力于分析化学与生物学交叉前沿方面的研究，尤其是细胞相关的生命分析。以活细胞为研究对象，借助纳米制备技术和超微电化学调控技术，结合荧光/暗场/单颗粒光谱多通道成像方法，从识别原理、成像模式和信息解析方面进行创新，构建了一系列基于化学纳米制备技术与超微电化学调控的单细胞分析新方法。以第一作者或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、Anal. Chem.（7篇）等高水平学术期刊上发表论文41篇，其中3篇论文入选Nature Index的Research Highlight专栏。获2016年上海市“晨光学者”称号，国家发明专利授权5项。
李大伟，华东理工大学化学与分子工程学院教授，上海市浦江人才计划入选者（2017年度）。致力于以表面增强拉曼散射为基础，开展环境检测和生物分析新材料、新方法与新器件等研究。在Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem.等国际著名学术期刊上发表第一或通讯作者SCI论文60余篇，发表文章近5年被SCI刊物他引近3000次；授权发明专利5项，PCT专利1项；获中国分析测试协会科学技术奖特等奖1项（第三完成人）。
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