如何利用磁性微流控系统实现免疫细胞分泌行为的定量检测呢？

免疫细胞分泌功能（Immune cell secretion）的调控是当前生物医学研究的关键所在。例如，细胞免疫疗法的成败与免疫细胞是否能正确分泌杀伤性细胞因子（Cytotoxic cytokines）紧密相关。传统研究方法，如流式细胞术（Flow cytometry），在处理大量细胞样本时效率不高，难以实现对细胞分泌蛋白的高通量时空间分析。

而目前已发表的关于新型单细胞微流控分析系统的研究，例如基于纳米孔阵列的微流控分析方法，能够对单个细胞的分泌行为进行实时的时空间监控，从而以极高的分辨率揭示单细胞分泌的特性。然而，这类方法只能同时检测几百个单细胞，在通量上存在明显不足，这进一步限制了将这类方法与高通量筛选相结合的潜力。目前，我们对细胞分泌行为的理解仍非常有限。

近期，美国西北大学（Northwestern University）及陈·扎克伯格生物研究所（Chan Zuckerberg Biohub Chicago）的Shana O. Kelley研究小组在Nature Biomedical Engineering期刊上发表了题为“Identification of druggable regulators of cell secretion via a kinome-wide screen and high-throughput immunomagnetic cell sorting”的研究论文，报道了一种用于检测大量免疫细胞分泌行为的高通量微流控方法。该方法结合了免疫细胞分选和CRISPR筛选，成功鉴定了调控小鼠CD4+ T细胞中干扰素-γ分泌的关键激酶。

在之前的研究中，Shana O. Kelley研究小组报道了一种全新的细胞分选方式——免疫细胞磁性亲和力靶向（Magnetic affinity targeting of immune cells，MATIC）。该方法能够根据细胞表面蛋白的表达量，通过磁力以每小时数以亿计的速度分选目标细胞，使得对各类细胞亚群的快速分选和鉴定成为可能。在此次的研究中，Shana O. Kelley研究小组针对细胞分泌行为重新设计了磁力分选的机制。具体来说，研究人员设计了一种在细胞表面原位捕捉分泌蛋白的策略，称为基于分泌的细胞排序和富集（Secretion-enabled cell ranking and enrichment，SECRE）。

SECRE通过在细胞表面进行多轮的抗体功能化，在细胞表面进行了类似酶联免疫吸附检测（On-cell ELISA）的反应。研究人员在对SECRE进行优化之后，成功实现了在细胞表面对分泌蛋白的实时定量检测及磁球标记。标记后的细胞可以通过已有的MATIC系统进行快速分选，以筛选出蛋白分泌量高、中等及低的免疫细胞亚群。

利用SECRE方法在细胞表面进行ELISA反应来鉴定特定蛋白的分泌

利用开发的SECRE方法，研究人员对CD4+ T细胞进行了全基因组CRISPR筛选，并以T细胞分泌干扰素-γ的能力为依据进行了细胞分选。测序结果表明，在分泌能力低的细胞亚群中，许多特定的激酶有着重要的影响，包括ACVR1、LRRK、STK10、STK24和SLK等。大部分激酶都有对应的小分子抑制剂，这使得对这些激酶通路的功能验证变得简单且容易。研究人员在相同的激活条件下，加入了不同的激酶来抑制CD4+ T细胞的干扰素-γ分泌。最终发现，XMU-MP1（SLK抑制剂）、SB-633825（STK10抑制剂）和Bosutinib（STK24抑制剂）具有最佳的抑制效果。

SECRE与CRISPR筛选方法相结合，可识别干扰素γ分泌的调控因子

最后，研究人员在动物模型上展示了小分子抑制剂的治疗潜力。具体来说，他们构建了一个基于硫酸葡聚醣（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型。在这类模型中，T细胞干扰素-γ的分泌在结肠炎的进展中起了关键性的作用。以往的研究已经证明过量的干扰素分泌会引起肠道干细胞的死亡和肠道上皮细胞的感染。通过使用XMU-MP1，研究人员将小鼠体内干扰素-γ的分泌量降低到了正常水平，这极大地减缓了结肠炎的发展。与DMSO对照小鼠相比，在XMU-MP1治疗的小鼠体内，肠道的多项指标均恢复了正常，包括肠道的长度、感染水平及Olfm4+的肠道干细胞数量。这进一步证明了基于SECRE方法的CRISPR筛选可以快速鉴定针对细胞分泌的治疗靶点和小分子药物。

硫酸葡聚醣（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型中干扰素-γ抑制剂的抑制作用验证

综上所述，这项研究不仅在细胞分析行为的检测上实现了技术创新，更在免疫细胞分泌的分子机制的研究中提供了新的视角和可能性。未来，这种高通量微流控技术在免疫疗法和疾病治疗研究中的应用前景值得期待。特别是对于自身免疫性疾病，该技术的应用可能有助于快速发现新的治疗靶点和小分子创新药，从而为患者提供更有效的治疗方案。







审核编辑：刘清