Extracellular vesicles (EVs) are important intercellular mediators regulating health and disease. Conventional EVs surface marker profiling, which was based on population measurements, masked the cell-to-cell heterogeneity in the quantity and phenotypes of EVs secretion. Herein, by using spatially patterned antibodies barcode, we realized multiplexed profiling of single-cell EVs secretion from more than 1000 single cells simultaneously. Applying this platform to profile human oral squamous cell carcinoma (OSCC) cell lines led to deep understanding of previously undifferentiated single cell heterogeneity underlying EVs secretion. Notably, we observed the decrement of certain EV phenotypes (e.g. CD63+EVs) were associated with the invasive feature of both OSCC cell lines and primary OSCC cells. We also realized multiplexed detection of EVs secretion and cytokines secretion simultaneously from the same single cells to investigate multidimensional spectrum of intercellular communications, from which we resolved three functional subgroups with distinct secretion profiles by visualized clustering. In particular, we found EVs secretion and cytokines secretion were generally dominated by different cell subgroups. The technology introduced here enables comprehensive evaluation of EVs secretion heterogeneity at single cell level, which may become an indispensable tool to complement current single cell analysis and EV research.

Abstract Despite recent advances in single-cell analysis technologies, lacking simple methods to keep the live single-cells traceable for longitudinal detection reliably poses a significant obstacle in single-cell secretion analysis. Here we reported the high-density NOMA (narrow-opening microwell array) microchip that realized the retention of ≥ 97% of trapped single cells in dedicated spatial locations during repetitive detection procedures, verified with both adherent and suspension cells by two researchers independently. We applied it in monitoring single-cell protein secretions sequentially from the same single cells, and we found the digital protein secretion patterns dominate the protein secretion. We also demonstrated the microchip for longitudinally tracking IL-8 and the CD81+EV secretions from the same single-cells over days, which revealed the presence of “super secretors” within the cell population be more persistent to secrete protein or extracellular vesicle for an extended period. The NOMA platform reported here is simple, robust, and easy to operate for tracking sequential measurements from the same single cells, representing a novel and informative tool to inspire new observations in biomedical research. Table of Contents Graphic