来源：微信公众号“Research科学研究”

近日，南京大学赵伟伟和徐静娟团队设计了一种具有高空间分辨率的单细胞离子粘度计，通过施加可逆的阶跃伏安曲线（SPV）得到的离子电流可以敏感地检测单个细胞内不同位置的粘度，且在实际测试中发现三种癌细胞内线粒体密集区域和溶酶体密集区域具有小的粘度偏差，而且在近核区域的粘度比线粒体密集区域和溶酶体密集区域的粘度大。

这项工作报道了一种可行的单细胞粘度计，相关研究成果以“A High Spatiotemporal Iontronic Single-Cell Viscometer”为题发表在Research上。

研究背景

细胞粘度对于普遍存在的扩散依赖性生物反应和级联反应至关重要。虽然细胞粘度的变化与许多病理和故障相关，但细胞粘度的稳态性质和固有的粘度调节机制及其潜在的生化/生物物理意义仍未被很好地理解。虽然细胞粘度分析已经取得了一些进展，但低时空分辨率等局限性仍无法使我们准确地把握胞内粘度分布情况。

单个细胞内的粘度分布有助于我们了解基本的生物过程，如质量扩散、生化相互作用和许多疾病和病理的细胞反应，因此直接进行单细胞层面的粘度研究对探索细胞异质性和行为的认识，并促进精确的病理诊断和治疗策略具有重要意义。

研究进展

南京大学赵伟伟和徐静娟团队开发了一种基于θ管的双纳米孔单细胞粘度计，其定位于单个活细胞内的特定位置后，通过膜片钳系统的阶跃脉冲电压(SPV)驱动的离子电流可测得局部粘度，测试方案、等效电路及器件形貌如图1所示。

图1 单细胞粘度计的实验装置示意图及器件形貌

然后研究者对该纳米工具的可行性、可达性进行了体外研究。图2(a)-(b)通过荧光素电渗证明了离子电流传输的可能存在路径，图2(c)-(d)证明了实际测试中，粘度计对于不同粘度的细胞模拟液具有线性响应；图2(e)-(g)显示了胞内可能存在的离子变化、pH变化和吸附对信号没有显著影响。

图2 单细胞粘度计的可行性及其良好的线性、选择性

接着，在A549、MCF-7和HeLa三种癌细胞中，研究者利用荧光染料探究了当单细胞粘度计靶向特定的亚细胞区域，即溶酶体密集区域、线粒体密集区域和近核细胞区域时，单个细胞内粘度的分布情况，结果显示溶酶体密集区域和线粒体密集区域的粘度偏差较小但近核区域的粘度相对较大，这显示了θ管纳米粘度计具有亚细胞空间分辨能力（图3）。

图3 θ管纳米粘度计测试不同细胞的亚细胞区域

最后，研究者以HeLa细胞为研究对象，分别通过葡萄糖剥夺和热休克恢复实验，以验证其时间分辨能力。其中，细胞内经热休克产生的应激颗粒通过免疫荧光证明。结果显示，经过葡萄糖剥夺和热休克的细胞粘度都随时间变化而上升，与已报道文献相符（图4）。

图4 θ管纳米粘度计测试葡萄糖剥夺和热休克细胞

未来展望

本研究设计了一个基于离子电流的高时空单细胞粘度计。θ型纳米尖端保证穿透细胞膜的低生理损害，且通过电生理膜片钳的SPV技术实现相邻纳米孔内可逆的离子运动；由此产生的离子电流与细胞内粘度的改变相关。

值得注意的是在探究三个亚区域粘度分布时，发现了溶酶体密集区域和线粒体密集区域的粘度偏差小，近核区域的粘度最高。

此外，以葡萄糖剥夺和热休克实验为例，进一步揭示了随时间变化细胞粘度的改变，这可能有助于未来单细胞粘度研究以及疾病诊疗和药物研发的评估。

作者简介

赵伟伟，现任南京大学化学化工学院生命分析化学国家重点实验室副教授，博士生导师。在光电化学分析和单细胞分析等方面开展了一系列工作。主持国家自然科学基金项目4项，目前已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem., CCS Chem., Adv. Funct. Mater., Small, Anal. Chem.等刊物上发表论文近百篇。目前主要的研究兴趣有半导体材料合成，光电化学生物分析，超微电极制备，单细胞分析，光电化学晶体管研究等。

徐静娟教授，南京大学博士生导师。2007年入选教育部"新世纪优秀人才支持计划"。国家杰出青年科学基金获得者，2013年获得中国青年女科学家奖，2014年入选英国皇家化学会会士，2014年入选教育部长江学者特聘教授，现为Scientific Reports、VIEW、《化学学报》、《分析化学》、《分析科学学报》等刊编委，2019年9月起任中国化学会质谱专业委员会副秘书长，2019年1月起任Analytica Chimica Acta的编委。获教育部自然科学奖一等奖两项。