史鹏博士：可在活细胞中快速分析microRNA的细胞内活检技术

MicroRNA（miRNA）在不同人类疾病（例如癌症）的研究中越来越受到关注，因为miRNA表达的变化通常与异常的细胞功能有关。为了实现对miRNA的快速和高度敏感的分析，香港城市大学（CityU）的研究小组开发了一种新型的细胞内活检技术，该技术可通过使用金刚石纳米针在约10分钟内从活细胞中分离靶向miRNA。这种技术简单，且应用广泛，可以用于包括从病毒的核酸检测（例如COVID-19）到早期癌症诊断等多个方面。

这一研究成果公布在Science Advances杂志上，由于香港城市大学生物医学工程系（BME）副教授史鹏博士领导完成。

单细胞miRNA分析

MiRNA是与基因表达转录后调控密切相关的短非编码RNA片段，这些小分子调节着不同的生物学过程，例如细胞分化，增殖和存活。

当前，聚合酶链反应（PCR）是用于miRNA分析的最普遍的方法。但是，由于从细胞裂解物中分离，纯化和扩增RNA等过程，miRNA分析成本高，过程复杂，而且周期时间较长。而且，传统的PCR只能对数千个细胞进行平均测量，但细胞每个个体都不同。这个问题对于识别稀有细胞（例如癌症干细胞）尤其重要，癌症干细胞是引起癌症复发和转移的主要因素之一。

为此这一研究团队开发了一种称为“inCell-Biopsy”的高通量技术，该技术不再需要分离，纯化和扩增RNA，大大简化实验操作。因此，处理时间从数小时减少到大约10分钟。

该技术基于团队先前开发的“molecular fishing”系统。这个系统是将一系列金刚石纳米针用作“钓鱼竿”，将P19（一种RNA结合蛋白）当作“鱼钩”。 P19可以结合长度为19-24个核苷酸的所有可用双链RNA。使用“钓鱼杆”刺穿细胞膜，然后直接拉出被“鱼钩”捕获的多个miRNA靶标，同时保持细胞存活。因此，每个纳米针上的“捕捞结果”后续可视化可实现准单细胞miRNA分析。

“目前，我们可以在每次穿刺中同时提取9个miRNA靶标；可以通过更多优化进一步扩大靶标的数量。一个纳米针贴片可以清洗并重复使用50次以上，”史博士解释说。

在不同时间捕获相同细胞群中miRNA表达的变化

与基于PCR的方法需要裂解细胞样品不同，在纳米级穿刺后细胞仍然存活。因此，研究人员可以多次分析同一细胞，监测与细胞活性相关的miRNA表达的波动。这意味着研究人员可以通过比较miRNA分析结果，观察细胞如何进化。作为概念验证，研究人员在小鼠胚胎干细胞向运动神经元的分化过程中应用了细胞活检技术。

“从研究结果来看，我们可以获得有关源自干细胞的新兴细胞群百分比的信息。还可以分辨出不同细胞群之间的关系。使用现有方法无法进行这种分析。”

潜在的治疗策略质量控制平台

史博士认为，细胞内活检技术将可以用于定量检查同一批细胞中miRNA表达的时间动态，揭示混合细胞群体中细胞异质性的演变。它可作为快速便捷的评估平台，用于对涉及细胞成分的新兴治疗策略进行质量控制，例如干细胞或CAR-T细胞疗法（从基因上操纵患者的免疫细胞，识别和杀死癌细胞）。这可以增强治疗的有效性和安全性。

此外，最近在医疗保健市场中推广了miRNA分析技术，用于早期癌症筛查。研究小组认为，这项新技术可能具有很高的转换能力，并且可以与现有的医疗保健用途兼容，从而使这种检测方法更短，更简单。该团队已经着手在结肠癌筛查研究中测试该技术。

“我们的技术可以用于干细胞以外的细胞，例如血细胞，癌细胞或T细胞等。它不仅可以用于分析miRNA，还可以用于分析不同种类的RNA，甚至是检测COVID-19病毒。”

香港城市大学生物医学工程学系史鹏团队

神经工程实验室位于香港城市大学深圳研究院，实验室由香港城市大学生物医学工程学系史鹏教授担任主任，现有三名博士后，以及多位博士研究生在读。实验室主要从事生物传感器，生物芯片，以及高通量筛选技术的研究和系统系统开发，并积极发展相关技术在神经生物学，生物电子学，脑科学等领域的应用。

自成立以来，研究团队承担了国家和市级多项科研项目，发表了一系列高水平论文，同时不断尝试实验室的研究成果的生物医学应用和产业化转移。尤其在药物筛选技术和表观遗传检测技术两方面，该团队以跨学科多领域的独特视角，利用机器学习和生物大数据的创新概念，致力具有临床价值的技术突破。我们期待与海内外研究机构和企业加强合作，共同为促进国家，特别是大湾区地区的生物医学产业与科技发展而努力。