近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授胡程志课题组在利用显微自动化技术实现单细胞凋亡动态监测领域取得新进展，相关成果以“Simultaneous Monitoring of Cytochrome c and Caspase-3 Dynamics Using a Dual-Channel Nanoprobe for Deciphering Single-Cell Apoptosis”为题发表于学术期刊 ACS Nano。该研究提出了一种双通道纳米探针，可在单个活细胞内同步、无标记检测细胞色素 c（Cytochrome c, Cyt c）释放与半胱天冬酶-3（caspase-3）激活，为解析细胞凋亡过程中的关键分子事件提供了新工具。
图1. 双通道纳米探针的设计及工作原理
细胞凋亡是生物维持稳态的重要生命过程，其异常与肿瘤、神经退行性疾病等密切相关。在内源性凋亡通路中，Cyt c释放是上游关键事件，caspase-3激活则代表下游执行阶段。由于单细胞内部具有明显的时空异质性，传统方法难以对这两个事件进行同步、动态和低扰动监测。
图2. 基于离子电流整流调制的双通道纳米探针用于细胞色素c（Cyt c）和半胱天冬酶-3（caspase-3）检测的性能分析
针对这一问题，研究团队构建了具有两个独立纳米通道的双通道纳米探针。其中，一个通道修饰针对Cyt c的特异性DNA适配体，另一个通道修饰可被caspase-3特异切割的DEVD肽。探针插入活细胞后，可通过电渗作用获取局部胞内物质，并将Cyt c结合和caspase-3切割所引起的表面电荷变化转化为可独立读取的离子电流信号，从而实现对两种关键凋亡标志物的同步无标记检测。该平台兼具高灵敏度、高选择性和低侵入性，可在复杂生物环境中保持良好稳定性。研究团队进一步利用该技术对不同乳腺细胞系的凋亡过程进行了分析，并开展了单细胞凋亡监测。结果表明，在凋亡刺激后，Cyt c信号首先升高，随后caspase-3信号明显增强，二者之间存在可分辨的时间延迟；同时，线粒体邻近区域的两种信号更高且更稳定，显示出凋亡相关信号在单细胞内部具有显著的时空异质性。该成果为细胞凋亡机制研究、药物筛选及单细胞生物分析提供了新的技术路径。
南方科技大学为论文完成单位。论文第一作者是机械与能源工程系博士生李鑫镐，通讯作者是胡程志副教授。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学、深圳市科技计划项目和广东省基础与应用基础研究等基金资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c22623