国产单细胞柔性高通量分选技术历经“十年一剑”磨练后的发光发热——大连华微生命科技有限公司创始人李木

单细胞柔性高通量分选——超越进口仪器的独门绝技！

——大连华微生命科技微流控优势技术综述    

在生命科学、生物制药、环保以及医疗等领域，针对细胞（肿瘤细胞）、细菌（工程菌）、病毒、细胞团、酶、线虫等活性生物颗粒，在保证活性前提下，根据参数进行单细胞级、高通量、柔性分选分离，即高效筛选出特异性个体，对于科研应用意义重大，也是当前最前沿的技术之一。

历经近半个实际的科技迭代发展，单细胞操控技术日新月异，从最初的人工方式，到风靡半个世界的流式分选技术，以及近些年出现的拉曼检测分选、视觉捕捉、气动高压分选、光镊控制、液流瞬动等手段，都具有一定的进步性，不断推动整个产业的进步发展。

2015年之前，生命科学中的单细胞分选应用，甚至包括细胞分析、捕获、操控等领域，均是进口仪器的天下，“单细胞”成为制约中国生命科学、生物技术等领域“卡脖子”技术之一，仪器与耗材严重依赖进口，国产仪器只能做一些边边角角的低附加值外围部件。

图1  常见进口流式细胞仪

直到2016年之后，在中科院大连化物所、大连理工大学以及大连医科大学附属医院等合作伙伴单位的支持下，历时6年研发，国产单细胞分选设备终于诞生——大连华微生命科技科研团队，成功绕开国外知识产权壁垒，开发出拥有中国人自己知识产权的单细胞分选分离系统，并在科研、教育、医疗、制药、环保等领域陆续实现应用。

2018年之后，借助独有的柔性高通量操控、多通道级联等专利技术，大连华微生命科技（以下简称大连华微），在业内率先提出单细胞“柔性”高通量分选的概念，实现与西方进口设备的中西方分选技术的正面PK，除多次竞标中以性价比、独有特色技术脱颖而出外，更是多次以“单一来源”方式中标。

那么，从2010年开始，历经“十年一剑”的磨练，大连华微，有哪些超越进口仪器的独门绝技呢？

单细胞之删除空滴技术

众所周知，皮升至微升级液滴型微反应器（以下简称液滴），是下一代生化分析工具，小小液滴，可以实现微米级尺寸的隔离空间，除了对单细胞、单细菌等生物颗粒起到保护作用外，还可以防止特定个体及其衍生物、排泄物、裂解物等单体相关物质，与其它个体实验的混淆，实现了细胞（或菌等）单体实验成果的可溯源性。

实现比重>99%的单细胞液滴，删除空滴与多核液滴，才是最严谨的“单细胞”技术。

即，一个液滴里只包含一个细胞（或其它生物颗粒），删除空液滴、多细胞液滴（多核液滴），这样巨量规模、相互隔离的活性单细胞液滴群，对基因工程、筛菌、筛酶、定向进化、文库制备、制药、医疗等领域研究意义重大，是科学家最期望的活性样本处理形式之一。

大连华微众多的独有特色技术中，包含单细胞液滴柔性高通量制备，可在液滴包裹时，根据实时监测删除空滴及多核液滴，实现液滴制备结果中，只包含“单核液滴”，为生物颗粒个体的隔离型大规模并行研究，以及海量样本中特异性个体的筛选、分离，提供了可行且高效的技术基础。大连华微推出的暴风系列产品，因为该特色技术，获得“2019年度中国科学仪器优秀新产品”荣誉称号，并进入多家国家重点实验室、三甲医院，以及985高校实验室。

而很多进口设备，不具备上述空液滴、多核液滴的删除机制——其“单细胞液滴制备”，指的是“能够制备单细胞液滴”，而非“制备成果都是单细胞液滴”，即：单细胞包裹符合泊松分布的规律，更详细的数据：除5%—20%的单细胞液滴外，会伴生超过70%的空液滴、5-10%的多核液滴，在多环节的生命科学、生化实验中，大幅降低实验效率，造成耗材、人工的严重浪费，也被客户戏称“假单细胞”。

图2  大连华微推出的国产单细胞柔性高通量分选分离设备

单细胞之柔性分选技术

在全球单细胞分选细分领域，大连华微生命科技率先提出“柔性”控制策略。

半个世纪以来，单细胞分选技术日新月异，但基于流式技术的分选设备，占据较大比重。而流式技术最被客户诟病的——就是较差的活性！概述而言，下列技术手段对活性生物颗粒，尤其细胞既有不同程度的损害，影响到后续活性实验环节，包括：

高压直流电、

高压强鞘液或油相、

采用高压气流的“气吹”技术、

强负压的“抽吸”技术、

高压交流电的介电分选技术、

采用有毒有害液体试剂、

采用施力接触式目标操控、

采用过强激光产生“光毒效应”等

上述技术，分别从电、液流、化学、光学等方面，对生物颗粒的活性有不同程度的伤害（尤其流式细胞仪，具有高压直流电、高压强鞘液等“双高”特质，尤为明显），除一些比较“坚强”的工程菌、细胞外，多数分选的单体成果，在后续的生殖、扩增、单亲克隆、PCR等活性实验环节中表现较差，甚至无法应用。

大连华微在针对单细胞液滴控制中，基于“柔性”控制策略，的制备、检测、柔性分选分离、混匀、切分、定位、滴内再注液等过程环节，不采用高电压直流电场、高压强鞘液，并注重生物颗粒操控过程中的营养物质的供给，实现整个分选即操控过程，生物颗粒的活性影响很小，不影响后续的生殖、扩增等实验环节。

单细胞之高通量操控技术

一位微流控业内大牛曾言：在针对海洋样本分选分离环节，一切低于秒级的检测技术，都是耍流氓！

这句话的严谨性值得商榷，但代表了单细胞分选技术的客户需求——高通量！众所周知，很多时候，我们国产设备与进口设备的最显著差距，就在通量速度这方面。

一个反面实例——拉曼单细胞分选，因无需标记在应用中具有很多技术优势，但当前不能广泛应用的原因，就是通量太低，单个细胞的检测，就需要数十秒，甚至数分钟的过程，对于生物样本的海量个体，效率明显力不从心。

大连华微为满足不同客户需求，推出系列化高中低档单细胞分选分离设备，单细胞分选具有高通量特质，每秒细胞分选数量范围：数十至数万个，典型应用为：50 drop/s，150drop/s，300drop/s，500drop/s，1000drop/s，2000-20000drop/s等多种规格。

单细胞之无标记分选

众所周知，针对活性生物颗粒进行荧光标记，是当前生命科学、生物技术等微观个体科研领域的主要手段，但荧光标记本身，对细胞活性、再生性、伦理等方面，产生很多负面影响。

业内付诸期望的拉曼检测技术，还需要技术进一步迭代升级，目前因过低的通量，还不能广泛应用。

因此，其它高通量的无标记单细胞分选技术，是业内急需。

大连华微的专利技术之一：采用独有的无标记高通量单细胞分选技术，针对96/384孔板的单细胞保活性分选，速度可以达到96孔板/5分钟的水平，活性保持>95%，单孔单细胞率>95%，当前该技术已经获得全球排名前五的世界科仪巨头的认可与合作邀约。

该技术已经得到大连市科技局评估、考察、论证，并获得“大连市2021年度重点科研计划项目”立项支持，项目合作伙伴包括多年哈佛医学院科研工作经验的海归教授、三甲医院肿瘤学主治专家等，该技术是大连华微近年来最重视的科研利器之一，前景广阔，未来可期。

单细胞之样本多样性兼容

大连华微的商业化系列产品，目前可针对尺寸0.1-2000um范围的活性生物颗粒，包括：细胞、细菌、酶、病毒、线虫、细胞团等，进行液滴包裹、捕获、分选、孵育等控制。而切换不同尺寸、种类的样本目标，只需更换一块生物芯片，即可快捷完成。

单细胞之实验平台开放性

对于科研、教育类客户，基于显微镜平台的全开放式结构设计，方便客户进行各环节的实验观测、功能增加与特定技术环节的DIY实现，如自行增加/更换：激光器、滤光片、光路、高速相机等，或可实现全场景视频、图像记录，可以非常少的成本、经济的实现，并更方便科技文献撰写需求。

单细胞之精确数字化分选

大连华微的分选技术之一，即逐粒串行检测，也就是针对生物颗粒，单个评估并操控，可以完成千万、数亿甚至更大样本容量中1个特异型（野生型）的鉴别并分选出来。精确数字化，是与“相对”、“概率”等对立的名词术语，因为中国广告法的规定，不能用另一个常用名词。

单细胞之液滴混匀

单细胞液滴（或多细胞液滴）中，多组分混匀。

单细胞液滴之比例切分

单细胞液滴（或多细胞液滴），按比例进行分割。

单细胞液滴之再注液

针对已经生成的单细胞液滴（或多细胞液滴），可按其参数进行特定目标液滴的滴内再次加样、加液，比如细菌分选后裂解液滴注、营养物质补充、后期反应药液加注等场合。

单细胞液滴之大规模并行阵列

针对海量样本的超高通量单细胞检测、分选需求，大连华微推出的Nx阵列式并行控制方案，检测、分选速度可以高达5亿×N drop/24h，其中N=1,2,4,8,16。。。自然数，为采用测控单元阵列数，理论上无上限。

单细胞分选设备之高性价比

外国科技界有句广为流传的话：技术，不能让中国人掌握！以进口设备1/2-1/5，进口耗材（芯片）1/5-1/10的价格，可与进口设备媲美的技术，助力中国科学家，挑战世界单细胞领域最前沿科技。

综上，大连华微自主研发的单细胞设备，基于多激光技术，采用皮升至微升级液滴（微反应器，下一代生化分析工具），可针对尺寸0.1-2000um范围的活性生物颗粒（细胞、细菌、酶、病毒、线虫、细胞团等），进行单核液滴包裹、高通量绝对检测、柔性分选分离、单体捕获、滴内PCR、器官功能细胞培育等操作，实现单亲克隆、药物筛选、单细胞基因测序、基因编辑、文库制备、酶活筛选、马牛羊雌/雄选育等应用。

图3  大连华微推出的：单细胞操控商业化产品及其主要参数

基于元器件级别的研发技术，大连华微生命科技，还推出微流控芯片实验室，一站式解决方案（设备、软件、可定制生物/微流控芯片）：对目标样本数无要求，保持活性前提，实现单细胞液滴高速制备、检测、柔性分选分离、混匀、切分、定位、滴内再注液等，液滴相互隔离，并可控制融合；生物芯片的片上温控系统，支持单细胞滴内PCR扩增、培养孵育。

当然，最近几年，政治开始影响全球高端科技的融合与发展，前沿技术成为某些发达国家制约我国经济发展的手段，中国产业，如何从“卡脖子”的技术壁垒中突围？答案只有一个：自力更生！但生命科学等领域的新技术开发周期长、成本居高不下，企业希望国家能出台更多财政、税收、推广等层面支持，加速高新技术开发。

大连华微生命科技有限公司（Dalian Life Huawei Technology Co., Ltd.），作为科技部评定的高新技术企业，已拥有国际先进水平的活性细胞控制技术，全球业内率先提出“单细胞柔性高通量分选（筛选）”概念，并成功研发、应用，获得市场广泛好评。但生命科学还有单细胞无标记柔性分选、高通量拉曼检测、微滴内生化反应等，更多的前沿未解课题，等待我们继续努力，攻坚克难，增强中国民族科技的市场话语权。

而影响中国民族工业的核心技术，必须掌握在中国人自己手中！