微流体细胞培养和分析

从最初的愿景重新创建整个化学实验室芯片、微流体已经演变成利基应用细胞培养和分析的科学。

微流体始于1980年代末,当学术团体代尔夫特大学(荷兰)、乙(苏黎世)和橡树岭国家实验室(美国田纳西州橡树岭)正在调查micro-total分析系统,或在芯片实验室。借款从半导体行业制造技术,这些团体使用式微通道操作的运动通过硅片化学解决方案。当时,精加工的优质硅比玻璃或塑料便宜,并认为硅的结构和半导体性质可能利用创建传感器,执行器,芯片内的分离模式。但不久的片上实验室(loc)中创建的玻璃,而今天聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最受欢迎的衬底。

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在过去的30年研究小组吹捧他们的“XYZ-on-a-Chip”设备,那里是一个占位用“XYZ”液体或气相色谱法,电泳,甚至质谱分析。

这些设备在许多方面仍然是科学项目。质量控制、再现性、可靠性和可用性是远不及所期望的商业工具。也失踪在许多情况下系统适合进样,最重要的是,读数和数据操作。

由于这些原因今天的商业实现loc或显微分析系统采用芯片作为前端或样品制备设备或多或少传统的仪器。安捷伦科技2100生物分析仪例如,multi-assay系统使用,一群化验,DNA LabChip微流控芯片对样品制备。分析物通过从芯片到一个更大的读者,在处理相关数据在大规模的电泳仪器。

微流体装置使通用的分析

生物分子

由于其依赖样品制备、试剂和离散过程步骤PCR是一个很好的候选模式分析微尺度通道和水井。例如热费希尔科学提供了自定义TaqMan®阵列卡,384 -微流控卡实时PCR反应。

奈PCR体系,从Stilla技术(瑟、法国)是一个更好的水晶数码PCR^TM专有技术发达,法国的巴黎综合理工学院的研究人员,在《华尔街日报》报道生物分子检测和量化在2016年。

的核心系统是蓝宝石芯片,基于微流体设备工作博士雷米Dangla巴黎综合理工学院(Palaiseau、法国)液滴形成使用渐变的监禁。微流控设备以前显示生成microdrops通过应用水动力的力量。调查人员这些液滴作为微反应器用于化学和细胞培养。Dangla的工作表明,液滴通过应用程序也可以形成非混相流体的高度变化。水滴从而形成self-propel曲率的影响下失衡,不流体运动。

在蓝宝石芯片,核酸提取样品加试剂分区成成千上万的sub-nanoliter滴,收集在一个中央室和自组织成一个二维单层阵列。

在这个阶段,蓝宝石芯片进行温度循环来实现放大DNA和RNA通过PCR分析,以及全基因组扩增。Stilla使用荧光读者量化信号从三个频道,和专有软件获得浓度读数。

“数字PCR不能完全取代传统的实时PCR,”笔记Magali Droniou,博士Stilla导演的应用程序。“但它提供前所未有的访问信息包含在示例中,特别是在非常低的水平内存在复杂的样品,例如循环肿瘤DNA液体活检。当出席总DNA的不到百分之一,只有数字PCR可以检测循环肿瘤DNA。”

由于微流控液滴的设计和切换从一个分析阶段,人类的操纵是减少到一个样本移液步骤,因此没有用户偏见这个数字PCR的化身。

“蓝宝石芯片允许直接可视化的二维单层数组,我们称之为一个液滴晶体,因此术语水晶数码PCR、“Droniou补充道。“这是非常有用的分析优化,直接检查到底出了什么差错,例如如果滴完整性受损或如果样品含有洗涤剂。”

蓝宝石也允许新颖应用涉及细胞封装在液滴成像或分析。液滴复苏也是可能的,应该为下游用户需要使用放大的材料分析。

分析系统涉及这么小卷总是权衡利弊后的最佳组合。“一些用户需要更高的吞吐量可能会发现蓝宝石芯片的标准设置在一定程度上限制,“Droniou说。Stilla是解决这个问题通过发展一个新的芯片用大量的钱伯斯。

基因测序

2017年中期两个研究小组,一个来自加利福尼亚大学联盟,另一个来自纽约的基因组中心,报道了液滴microfluidic-based单个细胞的基因组测序的方法。加州纸自然生物技术,专注于细胞从环境样品而后者描述特征的细胞类风湿性关节炎患者。

两队采用液滴微流体陷阱的基因,但允许试剂和小分子通过障碍。加州人使用水凝胶微球,允许单个微生物细胞的捕获,洗涤和净化的DNA。液滴合并、加工和测序的Illumina公司音序器。序列比较的参考标准10微生物通常存在于环境之中。

作者,又回到早期的微流控芯片工作,叫他们的设备”在网上血细胞计数,或者如果。虽然作者希望类似的方法最终将变得更加可靠,他们认识到其局限性。

与任何识别系统基于基因组学、微生物鉴定只是一样好样品和参考生物之间的匹配,以及可靠的仪器或方法如何识别匹配。

更具体地说,他们写道,“细胞测序的数量远远超过目前的描述方法,覆盖每个细胞明显降低。因此,辍学的报道和假阴性可以预期在网上血细胞计数分析。”

作者指出,尽管他们的重点是环境生物,“SiC-seq也适用于哺乳动物细胞的数量,可以有一个更直接的对人类健康的影响。”

正是在这纽约集团集中。他们使用3 d打印技术来创建一个单片机为微流控液滴测序芯片,成本不到600美元的零部件和组件。纽约大学首席研究员拉胡尔Satija曾展示了一种微流体装置大规模并行单细胞RNA序列通过一个设备,Seq-Well命名。Satija测序个体巨噬细胞暴露于病原菌,在这里描述的工作在关节炎症细胞。

细胞培养

微流体在细胞培养中的应用和分析实现比化学分析花费了较长的时间,但他们的潜力更大。“化学”loc的主要优势,即使是那些与生物分子操作,样品和试剂守恒,一次性用品的最小化。而开发商也压力自动化和速度,他们的设备一般不完成更比传统在这些地区,例如microtiter-scale、分析平台。

“细胞培养”的更广泛的意义比大型文化更加明显在微流体设备容器甚至微量滴定板。尾的过程是一个试验,是否一种蛋白质或化学产品的生产,或细胞自身产品,培养代表一个过渡的步骤。换句话说,培养阶段更多的停留,而不是一个目的地。

Organs-on-chips,发展阶段概括人体组织的玻璃或塑料基板,是一个最喜欢的话题188金宝搏备用(见在这里,在这里,在这里)。设备由微小井或隔间,由单一或多单元文化获得营养物质通过微流体通道。

器官和组织芯片是如此受欢迎,更传统的微流控芯片原型公司现在在细胞芯片提供设计和服务。即使是美国食品和药物管理局感兴趣,在2017年初宣布多年合作模拟公司,将其自身描述为“人类仿真”公司在芯片型号的肝脏疾病。

尽管他们的吸引力作为潜在的疾病模型,器官芯片,操作和科学,更复杂的比在microwells化验进行暂停或贴壁细胞。只有时间会告诉我们,如果设备真正模拟人体器官和系统足够代替动物和人类药物测试,或者其中的结果充分概括人类生理学。

设备操作和分析细胞代表cell-centered微流体的另一边。而不是创建一个完全新的疾病模型范例,这些芯片依靠建立分析科学,如荧光基因扩增和测序,同时把目标细胞的微流体机械操纵。

在他的审查PDMS微流控细胞培养,罗南·弗莱明卢森堡大学教授指出,除了通常的操作的好处在小卷,芯片文化允许孤立的单个细胞内微流体区域定义。此外,聚合物衬底(至少在理论上)便宜,提供了很大的灵活性在实验设计方面。

在消极的一面控制细胞的位置可能是一个挑战,和细胞表面必须适应文化,他们可能会不习惯。此外协议、试剂和媒体可能需要调整与批处理宏观文化和按比例增长,甚至microwell设备,是不可预测的。虽然体积差异就可能占矛盾在不同尺度(他们常常为标准做细胞培养),微流体实验自由——的主要优势是价格不存在标准化的芯片和外部控制器。

弗莱明提供坚实的建议考虑进军微流控细胞培养组。首先,他建议彻底评估与提出细胞微流控芯片的兼容性和媒体:细胞应该茁壮成长,不应该吸收到衬底或滤出。其次,媒体和饲料需要调整相对于值在批处理过程中,即使是那些在microwells进行的。什么工作宏观规模通常不会在微观尺度。

最后,指出微流体的多学科性质,弗莱明建议开发人员寻找新的技能和专长:“生化研究人员应该紧密联系成功经验丰富的工程师,如果他们希望进入微流控细胞培养领域。这就是说,如果细胞生物学家都知道之间的内在因素,不同宏观和微流控细胞培养,后者新兴领域有可能被用于调查许多迄今为止在探索细胞生物学的各个方面。”