客户成果丨新加坡南洋理工大学《Nature Communications》：无标记核仁指纹的单细胞激光发射细胞术

新加坡南洋理工大学电子电气工程学院Chen Yu-Cheng 教授团队在微型激光检测及生物传感领域取得最新进展，该成果以“Single-cell laser emitting cytometry for label-free nucleolus fingerprinting” 为题发表在《Nature Communications》上。

核仁作为典型的生物分子凝聚体，是细胞核内核糖体生成的核心枢纽。核仁的数量和形态是细胞功能与状态的重要指标。然而，在缺乏特定标记的情况下，准确识别和定量核仁仍然面临挑战，尤其是在悬浮细胞和组织水平上进行高通量分析时。Chen Yu-Cheng教授团队开发了一种单细胞激光发射细胞术（SLEC），通过微腔增强光与物质的相互作用，实现了无标记核仁的指纹式区分。

图1：用于无标记核仁分析的单细胞激光出射技术（SLEC）示意图。（a）SLEC设计示意图。细胞置于由两片平行光学镜面构成的微腔中，上层镜面旋涂有掺杂染料的PS薄膜，作为激光增益介质。通过调节外部泵浦能量，激光仅在核仁区域出射。（b）核仁区域内部与外部的激光阈值及光谱对比。（c-d）激光发射图像与相差图像、荧光图像的共定位分析。（e）用于组织切片分析的扫描型SLEC配置。（f）用于单细胞分析的流动型SLEC流式仪。

如图1a所示，两片平行镜面形成了Fabry-Perot光学微腔，上镜面底部旋涂掺有染料的PS薄膜，作为激光的增益介质，从而构成一个微型激光器。当细胞嵌入光学微腔时，由于核仁相对于其周围物质具有较高的折射率，使得核仁区域的激光阈值相较于周围环境显著降低（可达36倍，如图1b所示），从而实现核仁区域的选择性激光发射。研究人员进一步将SLEC技术开发成适用于组织检测的扫描式细胞术（图1e）以及适用于单细胞的流式细胞术（图1f）。

图2：SLEC功能效果分析。（a）相差图中显示的单细胞核仁。（b-c）核仁区域的激光出射图。核仁内部折射率的异质性引起了激光的图案化成像。（d）激光图案的空间分辨率分析。（e）核仁区域选择性激发下的激光光谱。（f-g）激光图案的高光谱展开图，显示大部分激光图案为基模激发光。（h）单细胞内核仁区域的激光出射与波长关系。（i）核仁大小与激光阈值的关系。（j）在固定激发能量下，核仁大小与激光峰数量的关系。（k）在固定激发能量下，核仁大小与激光峰强度的关系。

图3：时间尺度上的核仁区域激光出射图案分析。（a）活细胞中核仁区域的激光图案在80分钟内的变化，展示了核仁作为凝聚体的微流动性。（b）死细胞中核仁区域的激光图案在80分钟内的变化。（c）活细胞与死细胞之间的差异性定量分析。（d）药物处理下激光图案的变化。（e）通过激光图案分析药物处理后核仁内部的变化。

激光图像能够提供有关核仁内部不均匀性和流动性特征的信息（图2a-d， 图3）。同时，激光光谱的峰值数量及强度与单细胞内核仁的数量和尺寸呈线性相关性，这使得基于激光光谱的核仁指纹式定量化分析成为可能（图2e-k）。SLEC技术在核仁引导的药物筛选和疾病研究中，尤其是针对癌症和神经退行性疾病，将发挥重要应用价值。

在该研究中，通过使用TuoTuo Technology的紫外无掩模光刻机，制作了激光镜面上的阵列化微孔和流式器件上的流道。该设备能够快速实现大面积、无掩模的微结构制备，同时保证较高的空间分辨率。

作者信息：新加坡南洋理工大学电子电气工程学院的Chen Yu-Cheng教授是本文的唯一通讯作者，博士后研究员房国成为第一作者。该研究还得到了澳大利亚悉尼科技大学金大勇院士、上海理工大学乔桢教授、南洋理工大学Su I-Hsin教授的参与和支持。本研究获得了新加坡科技研究局项目和南洋理工大学校长博士后基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51574-5