細(xì)胞外囊泡(EVs)作為各種疾病的生物標(biāo)志物正迅速受到研究人員的青睞,其可以充當(dāng)來(lái)源細(xì)胞的寶貴信息載體。然而,盡管細(xì)胞外囊泡具有重要價(jià)值,但其在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用仍然有限。在眾多限制因素中,最關(guān)鍵的因素之一是分離細(xì)胞外囊泡所面臨的挑戰(zhàn)。事實(shí)上,目前采用的主流細(xì)胞外囊泡分離方法存在分離純度低、通量小以及重現(xiàn)性差等問(wèn)題。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,為解決上述問(wèn)題,近期,來(lái)自意大利帕多瓦大學(xué)(University of Padova)等機(jī)構(gòu)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種液滴微流控平臺(tái),該平臺(tái)能夠利用磁珠的免疫捕獲親和力,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外囊泡的高效分離。該平臺(tái)能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)(4.5小時(shí))處理大量樣品(2 mL),并且其自動(dòng)化程度相當(dāng)高。
此外,研究人員將基于液滴微流控平臺(tái)的細(xì)胞外囊泡分離方法與市售方法進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,基于液滴微流控平臺(tái)的細(xì)胞外囊泡分離方法所需的孵育時(shí)間更短(市售方法所需的孵育時(shí)間為其2.5倍),捕獲效率更高(其捕獲效率為市售方法的2.5倍)。相關(guān)研究成果以“Droplet microfluidic platform for extracellular vesicle isolation based on magnetic bead handling”為題發(fā)表在Sensors and Actuators B: Chemical期刊上。
具體而言,研究人員首先介紹了其開(kāi)發(fā)的液滴微流控平臺(tái)。如圖1所示,為分離細(xì)胞外囊泡而開(kāi)發(fā)的液滴微流控平臺(tái)由三個(gè)連續(xù)的自動(dòng)化模塊組成:(1)液滴生成器;(2)液滴孵育器;(3)磁珠提取器。各模塊由注射器或壓力控制器控制。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,將含有磁珠和細(xì)胞外囊泡的樣品先存放在一個(gè)搖動(dòng)裝置中,以防止磁珠沉降。在通過(guò)雙T型接頭生成液滴的過(guò)程中,啟動(dòng)注射器并將控制器的壓差(ΔP)設(shè)為零,同時(shí)保持閥門(mén)關(guān)閉,以便使液滴從出口5流出PDMS基微流控芯片(見(jiàn)圖1)。注入微流控芯片中的分散相和連續(xù)相的流速可以調(diào)節(jié),以獲得所需大小的液滴。經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化后,最終將載體油、水性樣品和礦物油的流速分別設(shè)定為30 μL/min、250 μL/min和60 μL/min,從而生成體積為980 ± 60 nL的液滴。
用于分離細(xì)胞外囊泡的液滴微流控平臺(tái)及其工作流程示意圖
當(dāng)所有的起始樣品都被分散生成液滴后,關(guān)閉注射器,打開(kāi)閥門(mén),并啟動(dòng)壓力控制器,以控制液滴的運(yùn)動(dòng)。具體而言,通過(guò)交替施加正負(fù)壓差(50 ~ 200 mbar),在毛細(xì)管內(nèi)進(jìn)行的時(shí)長(zhǎng)可調(diào)的孵育過(guò)程中,液滴會(huì)來(lái)回運(yùn)動(dòng),從而促進(jìn)其內(nèi)容物的混合,并進(jìn)一步增加細(xì)胞外囊泡與磁珠相遇和結(jié)合的幾率。
孵育結(jié)束后,閥門(mén)被再次關(guān)閉,利用與入口1連接的注射器將液滴引導(dǎo)至微流控平臺(tái)的第三個(gè)模塊——磁珠提取模塊中,以提取磁珠。在該模塊區(qū)域,將磁化金屬尖端靠近毛細(xì)管,從而可以在母液滴流動(dòng)時(shí)從其中提取磁珠。一旦液滴完全從磁化金屬尖端前方通過(guò),磁珠被完全捕獲,磁珠團(tuán)便會(huì)被包裹在一個(gè)微小的液滴中。液滴最終的體積取決于磁珠的數(shù)量,通常,當(dāng)磁珠的數(shù)量在10?到10?之間時(shí),生成的液滴的體積在5 nL到50 nL之間。
隨后,將磁鐵從毛細(xì)管附近移開(kāi),磁珠會(huì)從毛細(xì)管中流出。將其收集到預(yù)裝入水溶液的常規(guī)PCR管中,用于隨后的細(xì)胞外囊泡分析。總而言之,只需將磁化金屬尖端從磁珠提取模塊區(qū)域移開(kāi)幾毫米,使磁珠不再受到磁力作用,就能輕松完成磁珠的提取。
液滴內(nèi)磁珠捕獲效率的表征
在后續(xù)的研究過(guò)程中,研究人員對(duì)開(kāi)發(fā)的微流控平臺(tái)進(jìn)行了表征,并展示了利用生物樣本對(duì)微流控平臺(tái)的性能進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果。此外,通過(guò)蛋白質(zhì)表征、細(xì)胞外囊泡定量和成像等手段,研究人員將基于液滴微流控平臺(tái)的細(xì)胞外囊泡分離方法與傳統(tǒng)的超速離心法和商業(yè)試劑盒方案進(jìn)行了系統(tǒng)地比較。最后,研究人員還對(duì)分離出的細(xì)胞外囊泡的microRNA含量進(jìn)行了評(píng)估。
液滴微流控平臺(tái)對(duì)不同起始樣品量(V = 50 ~ 2000 μL)的處理能力
液滴微流控平臺(tái)分離細(xì)胞外囊泡的性能驗(yàn)證
綜上所述,在這項(xiàng)研究中,研究人員提出并驗(yàn)證了一種基于液滴微流控技術(shù)和磁珠的新型平臺(tái),并將其成功用于分離細(xì)胞外囊泡。值得注意的是,與使用市售方法相比,液滴微流控技術(shù)可以在更短的孵育時(shí)間內(nèi)將捕獲效率提高2.5倍。此外,與單相微流控器件相比,該研究提出的微流控平臺(tái)在樣品量(最多2 mL起始樣品)和分析通量(超過(guò)400 μL/h)方面也有顯著提高。因此,可以認(rèn)為,使用液滴微流控技術(shù)進(jìn)行細(xì)胞外囊泡分離在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用方面都具有巨大潛力。不過(guò),對(duì)于臨床樣本(如血漿或血清)的處理,可能需要對(duì)表面活性劑進(jìn)行專門(mén)優(yōu)化,以確保液滴的穩(wěn)定性,同時(shí)還需要對(duì)用于免疫捕獲的磁珠涂層進(jìn)行優(yōu)化。
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https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135583
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:基于磁珠的液滴微流控平臺(tái),用于細(xì)胞外囊泡的高效分離
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