星赛生物助力中国科学院青岛能源所开发哺乳动物单细胞多模态功能分选平台

2026.06.01

Sensor Actuat B-Chem

近日，中国科学院生物能源与过程研究所、星赛生物等单位，利用星赛生物的数字化克隆挑选仪DCP，开发了一种面向哺乳动物细胞异质性研究的新型微流控单细胞分析与分选平台。该平台集成了阵列化单细胞捕获、芯片内原位孵育、在线明场/荧光检测和目标细胞精准导出等功能，支撑哺乳动物细胞单细胞水平的动态表型分析、分选、培养和后续分子检测。

相关研究发表于 Sensors and Actuators B: Chemical《传感器和执行器B：化学》。

哺乳动物体内，没有两个细胞是完全一样的。正是这种个体间的细微差异——细胞异质性——在肿瘤发生、免疫应答、发育调控等重大生命过程中扮演着关键角色。

要真正理解单细胞异质性，研究人员需要一套能够高效捕获单细胞、原位培养、实时检测，并精准筛出目标细胞的完整工作流程。然而，现有微流控平台在这四个环节上往往顾此失彼——要么捕获率低，要么分选操作复杂昂贵，要么无法长时间在线监测。

现有平台为何难以做到"既捕又分"？

单细胞微流控平台面临两大核心矛盾：

① 捕获效率：传统微流控阵列受泊松分布制约，哺乳动物细胞（10~20 μm）的单细胞捕获率往往偏低。光学、电学辅助虽可提升效率，却引入操作复杂性和高成本。

② 精准分选：气动阀、光电操控、声学操控各有局限——或结构复杂、或成本高昂、或难以与下游分析兼容。如何在静态阵列芯片中实现简单、精准、低成本的靶细胞分选，是长期悬而未决的难题。

捕获·孵育·检测·分选全整合

利用星赛生物的数字化克隆挑选仪DCP，研究团队设计了一套PDMS-ITO玻璃微流控阵列芯片，集成四大关键功能，实现“从捕到分”的全流程升级，成本可控，制备重复性好。

Fig. 1 系统搭建与工作流程示意图。（A）结构示意图；（B）工作流程

Fig. 2 微流控芯片结构与样品上样过程。(A) 微流控芯片整体示意图及微观结构放大视图；(B) 微流控芯片实际外观与显微成像图。(C) 芯片上样过程示意图（左）及对应的显微成像图（右）

一

高通量单细胞捕获：效率＞93%

8192 个平行微结构，流体动力学优化设计
适配 10–20 μm 哺乳动物细胞，RAW264.7、HCT116、MCF7 等细胞平均捕获效率＞93%
单芯片可并行分析数千个单细胞，通量与稳定性拉满

Fig. 3 微流控芯片模拟与捕获结果。(A) 细胞捕获前后芯片模拟结果及对应放大视图与截面流速；RAW264.7 细胞的单细胞捕获典型成像图（B），以及在不同细胞浓度 (C) 、不同进样流速（D）、不同细胞类型（E）条件下的单细胞捕获效率

二

原位孵育 + 在线检测：细胞活性稳保 80%+

芯片集成在线换液、原位染色、长期孵育
细胞 24 h 孵育存活率＞80%，保留正常免疫代谢功能
明场 + 荧光双模态检测，支持动态表型实时观测

Fig. 4 捕获细胞的在线培养与活性检测。(A) 捕获细胞经培养后的在线染色流程示意图；细胞捕获后在线换液表征(B)及不同位置溶液颜色强度统计结果 (C)；(D) 不同培养时间后，RAW264.7 活细胞与死细胞比例；(E) 不同培养时长条件下，染色细胞的明场与荧光成像

Fig. 5 基于巨噬细胞胞内细菌体系的细胞代谢表征。(A) 芯片上胞内细菌体系构建与细胞代谢检测示意图；(B) 胞内细菌被杀死与未被杀死的典型显微成像图；(C) 柳氮磺吡啶（SSZ）处理组与未处理组细胞内细菌存活效率统计

三

激光诱导微气泡操控操控：目标细胞释放率＞97%，精准回收

1064 nm 激光聚焦至微腔室底部的ITO玻璃区域，形成瞬时膨胀的气泡，推动目标细胞脱离捕获单元进入流道，不同细胞释放效率均＞97%
目标细胞直接收集至 96 孔板，完美对接单细胞基因组扩增、测序等下游实验
目标细胞释放并收集过程非接触、无损伤

四

AI 辅助智能识别：自动定位 + 目标筛选

基于深度学习实现微结构定位、细胞识别
一键圈定荧光强度 / 表型特征，自动定位目标细胞，大幅提升分选效率与准确性

Fig. 6 基于激光诱导微气泡操控技术的单细胞分选与收集。(A) 目标细胞筛选与分选工作流程；(B) 细胞释放过程的观测；(C) 单细胞导出效率随激光功率变化的关系；(D) 1000 mW 激光功率下不同尺寸细胞的单细胞释放效率；(E) 分选细胞与未分选细胞的活 / 死染色结果

实战验证：巨噬细胞 ROS 异质性研究

研究团队以巨噬细胞在佛波酯类刺激剂 PMA 刺激下的活性氧（ROS）响应异质性为模型，展示了平台的实战能力。

通过芯片内并行化、实时监测单细胞的荧光变化，成功捕捉到不同细胞在ROS响应强度上的显著差异。进而将特定响应模式的目标细胞分选回收用于后续分析，展现了该平台服务细胞异质性解析及功能分群的能力。

Fig. 7 基于该平台的单细胞水平活性氧（ROS）研究。(A) 佛波酯（PMA）刺激与未刺激条件下捕获巨噬细胞内 ROS 信号的延时成像图；(B) 根据对应荧光图像计算的 ROS 信号平均倍数变化；(C) PMA 刺激下捕获巨噬细胞的 ROS 信号成像图；(D) 捕获巨噬细胞的平均荧光强度

与现有方案相比，优势在哪？

全球协作赋能，助力iMAPS计划拓展研究范式

当前，单细胞原位代谢图谱科学计划（iMAPS；www.iMAPS.info）正在全球建设 80 余个微生物组代谢功能探测节点，旨在规模化、系统性地产出海量拉曼组 / 元拉曼组大数据，构建原位功能菌种库。本研究建立了 “单细胞捕获 — 原位培养 — 表型检测 — 目标分选” 的全流程解决方案，为单细胞异质性解析、活细胞精准筛选与下游组学分析提供了可复用、可推广的标准化范式。

本研究是 iMAPS 五大板块中精准医学/营养健康领域的重要应用范例，面向单细胞功能筛选、免疫细胞异质性研究、药敏动态监测、稀有活细胞分选等关键需求，展示了微流控与光控分选技术在单细胞诊疗、细胞治疗质控、基础生命科学研究中的重大应用潜力。