[發(fā)明專利]一種高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)測量系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113567326A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王文會;豐泳翔
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10;B01L3/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發(fā)明公開了一種高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)測量系統(tǒng)和方法，所述測量系統(tǒng)包括微流控系統(tǒng)、多頻阻抗測量系統(tǒng)和實時處理算法系統(tǒng)共三個子系統(tǒng)。其中，微流控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成驅(qū)動大量單細(xì)胞聚束列隊高速通過測量區(qū)域；多頻阻抗測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量并采集單細(xì)胞在多個不同頻點下的阻抗值；實時處理算法系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)對阻抗值進(jìn)行濾波、脈沖檢測提取以及實時獲取待測單細(xì)胞的細(xì)胞半徑、細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率和細(xì)胞膜單位膜電容等本征參數(shù)。應(yīng)用本發(fā)明所述的測量系統(tǒng)可以高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)，在生命科學(xué)儀器上具有廣闊應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明單細(xì)胞電學(xué)參數(shù)測量領(lǐng)域，具體涉及一種高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

單細(xì)胞表征提供了細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)，功能信息和病理狀態(tài)，在揭示細(xì)胞異質(zhì)性中起著重要作用，對生命科學(xué)研究、疾病診斷和個性化醫(yī)學(xué)意義重大。一直以來，熒光標(biāo)記是單細(xì)胞分析和成像的主要工具，它通過對細(xì)胞標(biāo)記具有分子特異性的檢測標(biāo)簽(如熒光染料、量子點、磁珠和穩(wěn)定同位素等)來識別細(xì)胞中的組分及其狀態(tài)。對細(xì)胞進(jìn)行熒光標(biāo)記不但需要細(xì)胞特異性的先驗知識，而且標(biāo)記過程的侵入式操作會改變細(xì)胞狀態(tài)，使分析過程復(fù)雜化，限制后續(xù)分析。相比之下，細(xì)胞的生物物理特性(如電學(xué)特性和機(jī)械特性)同樣與細(xì)胞內(nèi)的分子組成有關(guān)，已被證明是診斷疾病(癌癥、瘧疾、糖尿病和鐮狀細(xì)胞性貧血等)的有效生物標(biāo)記，且生物物理特性表征無需標(biāo)記細(xì)胞，表征過程中細(xì)胞狀態(tài)基本不變，表征后細(xì)胞仍然可以進(jìn)行下一步操作和分析，如分選、培養(yǎng)、組學(xué)分析等，因此廣受關(guān)注。

作為生物物理特性之一，細(xì)胞電學(xué)特性反映了膜形態(tài)、離子通道狀態(tài)、核大小和細(xì)胞質(zhì)的特征。電學(xué)特性表征的基本原理是利用電旋轉(zhuǎn)、電阻抗譜和阻抗流式術(shù)，對細(xì)胞施加交流電激勵，以細(xì)胞運(yùn)動學(xué)或電學(xué)測量信號表征細(xì)胞的電學(xué)特性。電旋轉(zhuǎn)技術(shù)中，單細(xì)胞被定位于微流控器件的多個電極中，受介電作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，通過擬合細(xì)胞的轉(zhuǎn)速-電信號頻率曲線，解算出單細(xì)胞的電學(xué)本征參數(shù)(如細(xì)胞大小，細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率和單位膜電容)。此技術(shù)對細(xì)胞的定位操作過程繁瑣，測量時間較長，通量只有1個細(xì)胞/秒，且不太適用于高電導(dǎo)率的真實細(xì)胞緩沖液。電阻抗譜技術(shù)中，單細(xì)胞被捕獲在電極中，對電極施加掃頻信號并測量輸出電流，得到單細(xì)胞的阻抗譜后從細(xì)胞電學(xué)模型中解算出細(xì)胞的電學(xué)本征參數(shù)。由于電信號響應(yīng)快，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對捕獲細(xì)胞的快速掃描，但是測量結(jié)果易受捕獲結(jié)構(gòu)的影響，通量因為捕獲操作而無法提升。相比之下，阻抗流式技術(shù)中，單細(xì)胞連續(xù)高速通過電極檢測區(qū)，直接以細(xì)胞的少數(shù)頻點的絕對或相對阻抗值來表征其電學(xué)特性，通量高達(dá)1000個細(xì)胞/秒，但現(xiàn)有的基于模型擬合的本征參數(shù)解算方法耗時較長，測量系統(tǒng)在線使用時只能給出現(xiàn)象學(xué)參數(shù)(如阻抗幅度、相位和阻抗透明度)來表征單個細(xì)胞，導(dǎo)致測量結(jié)果高度依賴于測量平臺，并且無法在不同平臺之間進(jìn)行比較。

現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點：1)由于單細(xì)胞操作的局限性如對細(xì)胞的定位與捕獲操作過程繁瑣、測量時間較長，導(dǎo)致測量系統(tǒng)復(fù)雜且單細(xì)胞測量通量較低；2)阻抗流式分析技術(shù)中單細(xì)胞連續(xù)高速通過電極檢測區(qū)，單頻點測量導(dǎo)致信息不足，只能以現(xiàn)象學(xué)參數(shù)(如阻抗幅度、相位和阻抗透明度)來表征單個細(xì)胞，使得測量結(jié)果高度依賴于測量平臺，并且無法在不同平臺之間進(jìn)行比較；3)在高通量背景下，傳統(tǒng)的基于梯度下降擬合或決策樹等算法計算量大、所需時間長，無法滿足實時處理的需求，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)對單細(xì)胞進(jìn)行高通量實時在線的電學(xué)本征參數(shù)測量。

因此，需要尋找一種高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)測量系統(tǒng)及方法，可以提高高通量場景下單細(xì)胞阻抗流式技術(shù)有效分析原始阻抗數(shù)據(jù)的能力，實現(xiàn)對單細(xì)胞的高通量實時在線電學(xué)本征參數(shù)測量。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，提供一種高通量實時單細(xì)胞電學(xué)本征參數(shù)測量系統(tǒng)及方法，一是利用微流控技術(shù)、阻抗流式分析技術(shù)與鎖定放大技術(shù)，提高單細(xì)胞電學(xué)表征系統(tǒng)的通量的同時降低測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度；二是利用多頻鎖定放大原理，得到單細(xì)胞的多頻阻抗并解算出電學(xué)本征參數(shù)；三是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速分析復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)并以高精度預(yù)測輸出的優(yōu)勢，實現(xiàn)對單細(xì)胞進(jìn)行高通量實時在線電學(xué)本征參數(shù)測量。

發(fā)明內(nèi)容