Picodroplet microfluidics – مواد شیمیایی تخصصی برای تجزیه و تحلیل تک سلولی

میکروسیالات Picodroplet به سرعت در حال تبدیل شدن به فناوری انتخابی برای تجزیه و تحلیل تک سلولی با توان بالا است، و ابزاری با کاربری آسان برای جداسازی سلول های منفرد در قطرات آب در روغن (پیکودرولت) با حجم پیکولیتر ارائه می دهد که توسط یک لایه سورفکتانت زیست سازگار تثبیت شده است. . استفاده از یک سورفکتانت مناسب، که می تواند عملکرد غشاهای فسفولیپیدی را در سیستم های بیولوژیکی منعکس کند، برای دستکاری موثر و قوی قطرات کوچک ضروری است. این مقاله به بررسی سورفکتانت‌های چندکاره و زیست سازگار جدید می‌پردازد که یک محیط محافظ منحصربه‌فرد برای حمایت از زنده ماندن و یکپارچگی سلول در طول انکوباسیون و محافظت از سلول‌ها در برابر تنش برشی در طول تجزیه و تحلیل بعدی ایجاد می‌کند.

فناوری Picodroplet

سیستم‌های میکروسیال مبتنی بر فناوری قطرات کوچک، روشی با توان عملیاتی بالا و حساس برای انجام سنجش‌های غربالگری کمی با نرخ‌های غیرقابل دستیابی در جریان‌های کاری آزمایشگاهی معمولی ارائه می‌کنند [1]. با محصور کردن سلول‌های منفرد در محفظه‌های حجم پیکولیتر، هر قطره به عنوان یک “لوله آزمایش” مینیاتوری عمل می‌کند که سلول‌های منفرد را می‌توان در آن ذخیره، انکوبه و برای رویدادهای هدف مرتب کرد، سپس برای تجزیه و تحلیل بیشتر توزیع کرد. این رویکرد مبتنی بر قطرات قطره انعطاف‌پذیری را در طراحی سنجش ارائه می‌دهد، طیف وسیعی از کاربردها، از جمله پروتئین‌های ترشح‌شده، جداسازی سلول‌های کمیاب از جمعیت‌های بزرگ، بهبود بازده آنتی‌بادی‌های درمانی، و انجام تجزیه و تحلیل ویرایش ژنوم در سطح تک سلولی را ممکن می‌سازد.

گستره کاربردهای فناوری picodroplet در نتیجه پیشرفت در سورفکتانت ها گسترش یافته است. سورفکتانت ها پایداری امولسیون ها را در شرایط آزمایشی مختلف و برای مدت زمان طولانی حفظ می کنند. هنگام تولید یک قطره کوچک، مولکول‌های سورفکتانت به سرعت خود را روی سطح قطره قرار می‌دهند و لایه‌ای را ایجاد می‌کنند که سطح مشترک آب و روغن را تثبیت می‌کند و کشش سطحی را کاهش می‌دهد [2]. دافعه فضایی بین لایه‌های آب و روغن، که توسط مولکول‌های سورفکتانت تسهیل می‌شود، از ذوب شدن یا شکستن قطرات آبی در طول تجزیه و تحلیل جلوگیری می‌کند.

شکل 1. تصویری از قطرات کوچک تولید شده با استفاده از سورفکتانت های تجاری قابل مقایسه، پس از عملیات حرارتی بالا تا 95 درجه سانتیگراد.

فلوروسورفکتانت های زیست سازگار چند منظوره

در حالی که سورفکتانت های زیست سازگار یونی در دسترس هستند، به طور کلی در نظر گرفته می شوند که نسبت به نسخه های غیر یونی عملکرد ضعیفی دارند. بنابراین، برای ارائه رابط آب-روغن بی اثر و زیست سازگار که امکان تبادل گاز افزایش یافته را در طول تجزیه و تحلیل موثر تک سلولی فراهم می کند، سورفکتانت باید غیر یونی باشد. سورفکتانت انتخاب شده همچنین باید پایداری قطرات پیکودرل را در دماهای مختلف و در طول جریان کار آزمایشی چند مرحله ای که طی آن قطرات picodroplet ذخیره می شوند، مجددا تزریق می شوند، انکوبه می شوند و دستکاری های مختلف دیگری را انجام می دهند، حفظ کند. فلوروسورفکتانت‌های چندمنظوره و زیست‌سازگار جدید برای برآورده کردن نیازهای آنالیز تک سلولی با کارایی بالا توسعه یافته و تجاری شده‌اند. با شبیه سازی عملکرد سورفکتانت های متخصص غشاهای فسفولیپیدی بیولوژیکی، متشکل از یک ساختار مولکولی منحصربفرد و نسبت فلوروفوبیک قوی/ نصفه آبدوست، می تواند چندین مزیت را ارائه دهد [2]. مزایا عبارتند از تکرارپذیری دسته به دسته، پایداری قطرات کوچک، قابلیت اطمینان ثابت، پایداری در دماهای مختلف و عملکرد در ولتاژ پایین برای مرتب سازی. این آخری روش ملایم‌تری را برای آنالیز قطره‌ها تسهیل می‌کند و از زنده ماندن سلول در طول زمان پشتیبانی می‌کند. این مزایا کاربردهای جدید و بهبود یافته را در تجزیه و تحلیل تک سلولی، سنجش‌های زیست‌شناسی سلولی و مولکولی، انتقال ژن، مطالعات رشد سلولی، طیف‌سنجی جرمی یونیزاسیون الکترواسپری، امولسیون‌های دوگانه، و میکروسیال‌های هیدروژل ممکن می‌سازد [1-8]. و عملکرد در ولتاژ پایین برای مرتب سازی. این آخری روش ملایم‌تری را برای آنالیز قطرات کوچک تسهیل می‌کند و از زنده ماندن سلول در طول زمان پشتیبانی می‌کند. این مزایا کاربردهای جدید و بهبود یافته را در تجزیه و تحلیل تک سلولی، سنجش‌های زیست‌شناسی سلولی و مولکولی، انتقال ژن، مطالعات رشد سلولی، طیف‌سنجی جرمی یونیزاسیون الکترواسپری، امولسیون‌های دوگانه، و میکروسیال‌های هیدروژل ممکن می‌سازد [1-8]. و عملکرد در ولتاژ پایین برای مرتب سازی. این آخری روش ملایم‌تری را برای آنالیز قطرات کوچک تسهیل می‌کند و از زنده ماندن سلول در طول زمان پشتیبانی می‌کند. این مزایا کاربردهای جدید و بهبود یافته را در تجزیه و تحلیل تک سلولی، سنجش‌های زیست‌شناسی سلولی و مولکولی، انتقال ژن، مطالعات رشد سلولی، طیف‌سنجی جرمی یونیزاسیون الکترواسپری، امولسیون‌های دوگانه، و میکروسیال‌های هیدروژل ممکن می‌سازد [1-8].

بهبود عملکرد در فلوروسورفکتانت‌های زیست سازگار چند منظوره را می‌توان با بررسی پایین‌ترین کشش سطحی نقطه پایانی (IFT) و غلظت بحرانی میسل سورفکتانت‌های مشابه نشان داد. مواد شیمیایی با کمترین مقادیر، در مقایسه با سایر مواد موجود، از پایداری قطرات بیشتر پشتیبانی می کنند. تایید ریزقطره های قوی و پایدار تولید شده به دنبال تیمارهای دمایی 95 درجه سانتی گراد را می توان از طریق تصویربرداری نشان داد (شکل 1)، سورفکتانت ها سطوح پایین همجوشی قطرات کوچک را نشان می دهند که عملکرد برتر را ارائه می دهند. 

با توجه به ویژگی‌های عملکردی برتر سورفکتانت‌های زیست سازگار جدید، محققان می‌توانند از قطرات قطره‌ای به عنوان ریزراکتورهای قوی استفاده کنند [2]. سلول ها در یک محیط دوستدار سلولی و در مقیاس ریز محافظت می شوند که قادر به پشتیبانی از زنده ماندن و یکپارچگی سلول در حالی که تحت دستکاری های مختلف قرار می گیرند [1]. سورفکتانت باعث افزایش نرخ تبادل گاز برای به حداکثر رساندن زنده ماندن سلول ها می شود و قطرات قطره ای تولید می کند که برای چندین روز پایدار هستند. در مطالعاتی که نشان می‌دهد سلول‌های موجود در قطرات تثبیت شده با سورفاکتانت را می‌توان برای دوره‌های طولانی کشت داد، محققان همچنین نشان دادند که (بسته به رده سلولی)، زمانی که از یک سورفکتانت مناسب استفاده می‌شود، سلول‌ها را می‌توان آزمایش کرد و سپس برای رشد کلون تا ۷۲ ساعت کشت کرد. پس از بازیابی (شکل 2) [5].

نویسنده:  اولیویا هیوز، معاون بازاریابی دیجیتال برای Sphere Fluidics،  spherefluidics.com است.

منابع:

[1] Josephides, D., et al. Cyto-Mine: یک سیستم Picodroplet یکپارچه برای تجزیه و تحلیل تک سلولی با توان بالا، مرتب‌سازی، توزیع، و تضمین تک‌کلونالیته. SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation، 25(2): 177-189 (2020).

[2] Payne, E., et al. غربالگری با کارایی بالا توسط میکروسیالات قطره ای: چشم انداز چالش های کلیدی و چشم اندازهای آینده آزمایشگاه روی یک تراشه، 20 (13)، 2247-2262. (2020).

[3] Kielpinski، M.، و همکاران. طراحی محفظه میکروسیال برای انبساط و ادغام قطرات کنترل شده. میکروماشین ها، 11 (4)، 394. (2020).

[4] پاریس، J. L et al. ارزیابی آزمایشگاهی لیپوپلکس‌ها برای انتقال ژن: مقایسه کشت سلولی 2 بعدی، 3 بعدی و فعال شده با میکروقطره Molecules, 25 (14), 3277. (2020).

[5] Shvets E، Lui X، Hughes O و Craig F. Cell Engineering in Picodroplets (2021). https://spherefluidics.com/resources/application-materials/ دسترسی به 30 ژوئیه 2021.

[6] اسمیت، کالیفرنیا، و همکاران. تشخیص حساس و پرتوان پروتئین ها در قطرات پیکولیتر منفرد تثبیت شده با سورفاکتانت با استفاده از طیف سنجی جرمی یونیزاسیون نانوالکترواسپری. شیمی تحلیلی، 85 (8)، 3812-3816. (2013).

[7] Yan, J., et al. قطرات دوگانه آب در روغن در آب (w/o/w) را به عنوان محفظه های یکنواخت برای تجزیه و تحلیل با توان بالا از طریق فلوسیتومتری پخش کنید. ریز ماشین ها، 4 (4)، 402-413. (2013).

[8] چان، HF، و همکاران. تشکیل سریع کروی های چند سلولی در قطرات دو امولسیونی با ریزمحیط قابل کنترل. گزارش های علمی، 3(1). (2013).