單細胞蛋白質分析為理解和描述大規模細胞群體中的表型異質性提供了獨特見解，吸引了研究人員的廣泛關注。然而，由于細胞體積小、蛋白質豐度低以及缺乏靈敏的分析方法，在單細胞分辨率下研究蛋白質信息面臨著巨大挑戰。微流控技術能夠實現高效的單細胞分離、小體積樣品的高通量處理，并以用戶友好的形式進行集成的微尺度反應，已成為單細胞蛋白質分析的強大平臺。據麥姆斯咨詢介紹，哈爾濱工業大學、廈門大學和上海交通大學的聯合研究團隊近期在Lab on a Chip期刊上發表一篇題為“Single-cell protein profiling energized by microfluidic technology”的綜述性論文。該論文全面綜述了用于單細胞蛋白質分析的前沿微流控技術平臺。論文總覽了用于單細胞分離的微流控技術平臺，并探討了如何將尖端分析技術與這些平臺集成以進行蛋白質分析。此外，該綜述還介紹并評估了基于微流控的單細胞蛋白質分析的潛在挑戰和未來趨勢。單細胞的有效分離是精確蛋白質分析的基礎。目前，基于一系列基本的流體管理技術，已經構建了多種用于單細胞處理的微流控技術平臺。與傳統分離方法（如有限稀釋法、顯微操作法和激光顯微切割法）相比，微流控方法能夠實現更可控的處理，減少稀釋，并且易于與下游檢測相結合。該綜述討論了面向單細胞分離應用的代表性微流控技術平臺，重點介紹了它們的工作原理和相對優勢，具體包括：陷阱式、瓣膜式、液滴式、微孔式和基于場的微流控方法（介電泳和介電潤濕）。該綜述總結了基于微流控技術的前沿單細胞蛋白質分析方法，主要包括：電泳類技術、流式細胞術、條形碼免疫分析、非抗體蛋白質分析策略、微流控質譜法、微流控測序以及微流控多組學集成分析等。研究人員分別詳細說明了它們的技術指標，包括檢測模式、多樣性、通量和靈敏度，并通過表1進行了匯總。如表所示，目前已開發出一系列微流控單細胞蛋白質分析平臺，每種方法都有其獨特優勢，還沒有一種金標準方法在所有方面都顯著優于其他方法。因此，研究人員在為實際應用選擇合適的單細胞蛋白質分析方法時，必須考慮樣本類型、蛋白質定位、樣本通量和定量準確性等因素。盡管如此，很明顯，利用微流控技術進行單細胞蛋白質分析的發展軌跡既清晰又多樣：包括從少數或幾十個細胞過渡到高通量單細胞分析，從對一種或幾種目標蛋白質的表征過渡到全面的蛋白質組學分析，從定性鑒定過渡到定量分析，以及從單一組學過渡到多組學整合分析。除了方法學上的創新，單細胞蛋白質分析通過直接測量功能表型，為生物學研究和臨床應用做出了獨特貢獻，而這些功能表型無法通過單細胞RNA測序直接獲得。該綜述總結了這些蛋白質層面的分析如何補充轉錄組學，并在免疫學、癌癥研究和臨床轉化中實現更具可操作性的解讀。單細胞蛋白質分析的一個主要優勢在于，它能夠捕捉僅從轉錄本豐度難以推斷的功能表型。對信號傳導和免疫輸出的功能分析為將細胞狀態與可操作表型聯系起來提供了一種實用框架。通過將受控微環境與多重蛋白質讀數相結合，微流控單細胞檢測可以揭示信號傳導參與如何轉化為免疫效應功能，從而為免疫學、炎癥和治療反應研究中以轉錄本為中心的分析提供一個基于機制的補充。要讓單細胞蛋白質分析從探索性研究過渡到臨床應用，整個工作流程的標準化和驗證至關重要。與主要面向研究的轉錄組學檢測不同，許多基于蛋白質的檢測已經是常規臨床診斷的基礎，這為轉化提供了明確的先例。然而，微流控單細胞蛋白質檢測引入了更多變量，在臨床應用之前必須系統地解決這些問題。基于微流控的系統具有集成化和自動化操作、高效準確、成本低且小型化等優勢，這推動了利用微流控器件進行的單細胞蛋白質分析向高通量和多模態方向發展。隨著基于微流控技術的單細胞蛋白質分析的興起，對方法學改進的需求依然迫切。單細胞樣本制備是當前方法學面臨的首個技術瓶頸。盡管利用微流控技術進行單細胞分析的研究已開展多年，但同時兼顧高通量與高細胞利用率仍是一項重大挑戰。另外，樣本處理和轉移過程中的蛋白質損失仍是一個嚴峻的挑戰。要解決這些挑戰，就需要開發一種高度集成的微流控芯片，該芯片應具備能夠實現無接觸、高通量單細胞處理的通道，以及能夠與下游分析儀器無縫集成的接口。此類儀器必須能夠高效捕獲、分離、標記和擴增多種蛋白質，以實現高質量的單細胞蛋白質分析。人工智能驅動的有源矩陣介電潤濕技術已成為單細胞蛋白質組學分析的變革性平臺。為了實現對細胞異質性的全面分析，單細胞蛋白質分析不僅應與其他組學方法相結合，還應與時空信息相結合，以精確捕捉和解析動態生物學過程。為了推進相關方法以適應高通量和單細胞多模態數據整合分析所產生的日益增長的數據量，新的流式算法和高性能軟件包是必不可少的。此外，這些開發的軟件工具必須具備整合不同模態數據的能力。預計在未來十年，單細胞蛋白質分析領域將出現越來越多基于微流控的方法學創新，從而有助于更精確、更全面地理解生物過程中蛋白質信號網絡的功能及潛在機制。https://doi.org/10.1039/D5LC00854A延伸閱讀：
《微流控技術及市場-2024版》
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
