基于纳米传感器化学细胞术揭示人真皮成纤维细胞衰老异质性的无标记高通量分析

本研究针对组织再生细胞衰老异质性导致的治疗效果差异问题，开发了集成近红外荧光单壁碳纳米管阵列与微流控技术的无标记单细胞分析平台NCC。通过量化细胞大小、形状、折射率和H2O2外流等关键表型，构建了三维衰老轨迹模型，其表型异质性与RNA测序结果高度吻合。该技术实现了1小时内分析105个细胞的高通量检测，为再生医学产品质量控制提供了创新工具。

　　

在再生医学领域，人类真皮成纤维细胞(hDFs)作为FDA批准的组织工程皮肤替代物关键组分，其治疗效能却因细胞衰老异质性存在显著波动。传统分析方法依赖细胞标记或裂解，不仅破坏样本更无法关联分子信息与治疗效果。这种"黑箱"状态严重制约了细胞治疗产品的标准化生产，亟需建立能同时解析理化特征与分子机制的无损检测技术。

韩国科学技术院的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，开发了纳米传感器化学细胞术(NCC)平台。该技术整合近红外(nIR)荧光单壁碳纳米管(SWCNT)传感器阵列、微流控芯片和深度学习算法，通过光子纳米喷射效应实现单细胞水平四维表型检测。研究证实该方法可准确预测hDFs衰老状态，其构建的虚拟衰老轨迹与转录组特征高度一致，为再生医学产品质控提供了全新解决方案。

关键技术包括：(1)基于(GT)₁₅

【Characterizations of aging in hDFs】
通过SA-β-Gal活性检测、线粒体膜电位(MMP)分析和端粒长度测量证实：p15细胞呈现典型衰老特征，包括β-半乳糖苷酶活性增加3.2倍、端粒长度从10.50kb缩短至1.90kb。RNA测序显示p5细胞高表达细胞周期相关基因(ANKRD53,CDC25C)，而p15上调炎症因子(IL6,IL1β)和ECM降解基因，GO分析揭示p5富集有丝分裂通路而p15侧重应激反应。

【Workflow of NCC for aging analysis】
建立的NCC平台实现每小时分析超1.4万个细胞，通过深度学习模型(F1分数>0.97)准确提取细胞形态参数。FDTD模拟验证光子纳米喷射现象仅发生于活细胞(RI=1.33-1.42)，而玻璃微珠等对照无此效应。SWCNT/(GT)₁₅传感器对H₂O₂检测限达飞摩尔级，10分钟内可捕捉单细胞氧化应激动态。

【Aging heterogeneities revealed by NCC】
定量分析显示：p15相比p5细胞面积增大35%(88.94 vs 65.83μm²)，异质性增加135%。关键发现是尺寸与折射率(RI)呈强负相关(R=-0.59)，而H₂O₂外流与尺寸正相关(R=0.43)。二维相关性分析表明偏心度是独立参数，提示其可能反映非衰老相关的形态变异。

【3D aging trajectory】
创新性构建的三维衰老空间(尺寸-RI-H₂O₂)显示：p5-p15群体中心坐标位移达13.828单位，p13-p15阶段变化最显著(9.033单位)。有效体积(EV)分析揭示p15异质性较p5增加336%，建立的预测模型对未知样本衰老阶段判断准确率达85%。

【Treatment efficacy evaluation】
功能验证表明：p5细胞分泌的VEGFA是p15的2.1倍，其条件培养基显著促进HUVEC管形成。Western blot显示p15的胶原I型表达降低57%，与NCC表型参数tanθ值(-0.41)相符，证实RI变化可早期预测ECM分泌能力下降。

该研究突破性地实现了再生细胞衰老状态的"无损体检"，其多维表型分析方法为解决细胞治疗产品批次差异提供了关键技术支撑。特别值得注意的是，研究揭示的尺寸-RI-H₂O₂协同变化规律，为理解衰老相关的细胞物理特性改变与分子机制关联提供了新视角。这种将纳米光子学、微流控与人工智能交叉融合的研究范式，为单细胞分析领域树立了新技术标杆。