技術(shù)文章
Technical articles集成微流控芯片技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和生物物理學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力,它能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞分離、捕獲以及檢測(cè)單細(xì)胞等多種功能。液體的交換和微流控芯片的集成也起著關(guān)鍵性作用,這使得研究者能夠精確調(diào)控細(xì)胞外環(huán)境,并同步刺激與檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞,從而實(shí)時(shí)觀察到細(xì)胞響應(yīng)的細(xì)致與動(dòng)態(tài)變化。為了精確測(cè)量細(xì)胞在刺激下的瞬態(tài)反應(yīng),高速液體交換和精確的測(cè)量技術(shù)也變得至關(guān)重要。
在本研究中,來(lái)自日本名古屋大學(xué)、東京大學(xué)和東北大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種集成了微流控芯片和雙泵探針的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量單個(gè)細(xì)胞瞬態(tài)響應(yīng)的新方法。該系統(tǒng)由雙泵探針、微流控芯片、光學(xué)鑷子、外部機(jī)械臂、外部壓電執(zhí)行器等組成。研究團(tuán)隊(duì)將雙泵探針集成在一起,以實(shí)現(xiàn)高速液體交換,并通過(guò)局部流控制技術(shù),確保芯片上的單個(gè)細(xì)胞接觸力檢測(cè)幾乎不受干擾。借助該系統(tǒng),研究團(tuán)隊(duì)能夠以很高的時(shí)間分辨率精確測(cè)量細(xì)胞對(duì)滲透性沖擊的瞬態(tài)響應(yīng)。
相關(guān)研究以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response"為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Micromachines》上。
首先,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了雙管移液器,并與兩個(gè)壓電泵組裝成了一個(gè)能夠同時(shí)進(jìn)行液體注射和抽吸的雙泵探針系統(tǒng)。該探針尖部由摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S130,精度:2 μm)制備而成。然后,研究人員制備了帶有探針的微流控芯片,并對(duì)集成的力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。
圖3. (a) 力測(cè)量過(guò)程的概念;(b) 探針和力傳感器的圖像;(c) 作為彈簧力傳感器的空心折疊梁結(jié)構(gòu);(d) 力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和理論值示例(藍(lán)色點(diǎn)表示校準(zhǔn)后使用力傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù),橙色曲線表示理論值);(e) 通過(guò)測(cè)量傳感器探針位移數(shù)據(jù)的3σ來(lái)評(píng)估力傳感器的穩(wěn)定性。D0: 原始細(xì)胞直徑;δs, δp: 傳感器和探針的位移;L: 梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度;σ: 標(biāo)準(zhǔn)偏差。
接下來(lái),研究團(tuán)隊(duì)對(duì)雙泵探針系統(tǒng)的性能進(jìn)行了細(xì)致的表征,并深入研究了分析位置和面積對(duì)液體交換時(shí)間的影響。此外,團(tuán)隊(duì)還通過(guò)優(yōu)化注射電壓,確保了液體濃度變化的完整性,使得平均液體交換時(shí)間縮短至約3.33毫秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,力傳感器在液體交換過(guò)程中僅受到輕微干擾。利用這一系統(tǒng),團(tuán)隊(duì)成功測(cè)量了滲透壓沖擊下Synechocystis sp. PCC 6803菌株的變形和反應(yīng)力,平均響應(yīng)時(shí)間約為16.33毫秒,從而揭示了在毫秒級(jí)滲透壓沖擊下壓縮的單個(gè)細(xì)胞的瞬態(tài)響應(yīng)。
圖4. (a) 使用光學(xué)鑷子系統(tǒng)捕獲并定位單個(gè)細(xì)胞在兩個(gè)芯片探針之間;(b) 使用外部壓電執(zhí)行器壓縮目標(biāo)細(xì)胞;(c)利用3D機(jī)械臂將探針尖部移動(dòng)到預(yù)定位的位置;(d) 從注射桶注入LOC溶液,同時(shí)從抽吸桶抽吸探針尖部下方的液體,此時(shí)細(xì)胞外環(huán)境從HOC溶液變?yōu)長(zhǎng)OC溶液;(e) 外部壓電執(zhí)行器釋放探針,并將探針尖部沿垂直方向遠(yuǎn)離芯片表面。
圖5. 分析區(qū)域的位置和面積對(duì)評(píng)估液體交換時(shí)間的影響。(a) 測(cè)量區(qū)域的顯微鏡圖像。不同顏色的圓圈表示用于分析灰度級(jí)的位置,相鄰的圓圈描述了相應(yīng)的液體交換時(shí)間。(b) 分析區(qū)域的位置對(duì)評(píng)估液體交換時(shí)間的影響。擬合曲線的顏色與分析區(qū)域的顏色相對(duì)應(yīng)。(c)分析在直徑為2、4和6 μm的同心圓形區(qū)域(綠色圓圈)中液體交換期間灰度值的變化。
此外,為了準(zhǔn)確評(píng)估液體交換對(duì)傳感器探針的干擾,研究團(tuán)隊(duì)用與Synechocystis sp. PCC 6803菌株具有相似楊氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷(PDMS)珠代替了細(xì)胞,因?yàn)榫鄱谆柩跬橹榈捏w積不受滲透壓變化的影響。研究結(jié)果顯示,在傳感器探針的位移數(shù)據(jù)中幾乎不能觀察到與液體交換相關(guān)的干擾。并且,與層流法中封閉式微流控芯片內(nèi)由液體交換引起的干擾相比,具有雙泵探針系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了局部液體交換,從而顯著降低了液體交換過(guò)程下的干擾,提高了力傳感器的測(cè)量精度。
圖6. 注入電壓對(duì)液體交換程度和液體交換對(duì)位移測(cè)量的干擾的影響。(a) 注入電壓對(duì)液體交換程度的影響。當(dāng)注入電壓超過(guò)20伏時(shí),灰度值的變化趨于穩(wěn)定,這意味著細(xì)胞外溶液已交換;(b) 液體交換期間灰度級(jí)變化和相應(yīng)的傳感器探針干擾。
綜上所述,研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成了微流控芯片和雙泵探針的系統(tǒng),用于研究單個(gè)Synechocystis細(xì)胞的瞬態(tài)響應(yīng)。該系統(tǒng)能在芯片表面局部快速地進(jìn)行液體交換,且對(duì)周圍環(huán)境干擾極小。系統(tǒng)的平均液體交換時(shí)間約為3.33毫秒,比之前的成果快了100倍以上,甚至比細(xì)胞對(duì)滲透壓變化的響應(yīng)時(shí)間還要快,這使得能夠更精確地揭示單個(gè)細(xì)胞的瞬態(tài)反應(yīng)。由于MS通道能夠感知膜張力,細(xì)胞的壓縮或膨脹揭示了MS通道的特征。本研究的成果證明了所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)在準(zhǔn)確研究單個(gè)細(xì)胞響應(yīng)方面的有效性,并為生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)研究提供了有益的見(jiàn)解。