基于細(xì)胞陣列的微流控裝置是單細(xì)胞分析的強(qiáng)大工具，因?yàn)槠淇杀挥糜趶募?xì)胞群中分離出單個(gè)細(xì)胞以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀察，通過(guò)在流道中捕獲細(xì)胞，微流控裝置可以檢測(cè)包括細(xì)胞互作、藥物反應(yīng)和蛋白質(zhì)表達(dá)在內(nèi)的細(xì)胞行為的各個(gè)方面。目前，基于重力、流體動(dòng)力學(xué)、光鑷和介電泳（DEP）等在內(nèi)的方法已被應(yīng)用于微流控裝置以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的捕獲。

此外，許多研究需要在成功捕獲細(xì)胞后從微流控裝置中選擇性提取細(xì)胞，以便后續(xù)對(duì)更具體的反應(yīng)進(jìn)行片外分析。然而，傳統(tǒng)的微流控裝置直接在流道中捕獲裸細(xì)胞，這可能會(huì)由于用于捕獲的壓力或流體中的污染而導(dǎo)致細(xì)胞損壞。此外，在單微米尺度上分析如大腸桿菌等在內(nèi)的樣品，需要相應(yīng)較小的微通道，這使得精密制備可以適配微通道的閥門和電極等用于細(xì)胞提取的組件更加困難。

為了克服這些困難，微液滴可以用來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受壓力和污染，并且液滴的大小可以靈活調(diào)整，以便于處理細(xì)胞。此外，微液滴還可以通過(guò)與細(xì)胞陣列相同的方式被捕獲在微通道中。然而，目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出一種有效的平臺(tái)，可以在微液滴被捕獲后從液滴陣列中選擇性提取目標(biāo)液滴。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，日本早稻田大學(xué)（Waseda University）和千葉大學(xué)（Chiba University）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種微流控裝置，能夠從基于介電泳的多個(gè)液滴捕獲袋（droplet-trapping pockets）中選擇性提取液滴。該微流控裝置由一個(gè)主微通道、五個(gè)帶側(cè)通道的液滴捕獲袋和合理配置于捕獲袋周圍的驅(qū)動(dòng)電極對(duì)組成。由于主通道和側(cè)通道之間的流動(dòng)阻力差異，該微流控裝置能夠?qū)馍飿悠返沫傊且旱纬晒Φ夭东@到捕獲袋中。此外，該微流控裝置在500 V的電壓下，通過(guò)電極對(duì)之間產(chǎn)生的介電泳力，可以實(shí)現(xiàn)從捕獲袋中選擇性地提取目標(biāo)液滴。



圖1 選擇性液滴提取微流控裝置示意圖



圖2 選擇性液滴提取微流控裝置工作原理

研究人員首先對(duì)該微流控裝置的液滴捕獲和提取性能進(jìn)行了驗(yàn)證。圖3顯示了直徑為30 μm ~ 55 μm不等的四種液滴的捕獲和提取過(guò)程。在成功捕獲液滴后，對(duì)電極對(duì)連續(xù)施加電壓以產(chǎn)生正介電泳（P-DEP）并實(shí)現(xiàn)液滴的提取。未被捕獲的液滴可能會(huì)再次被捕獲在更下游的開(kāi)放捕獲袋中。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，有必要通過(guò)向下游捕獲袋對(duì)應(yīng)的電極對(duì)施加電壓來(lái)重新提取液滴?？傮w而言，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該研究所制造的微流控裝置能夠捕獲和提取各種尺寸的液滴。

圖3 利用微流控裝置進(jìn)行液滴捕獲和提?。海ˋ）30 μm；（B）40 μm；（C）50 μm；（D）55 μm

隨后，研究人員進(jìn)一步評(píng)估了該微流控裝置選擇性液滴提取的能力。在該研究中，研究人員使用瓊脂糖液滴包裹直徑為3 μm的熒光微珠，并從微流控裝置入口處以0.2 μL/min的流速向微通道中注入包裹熒光微珠的瓊脂糖液滴和礦物油，以實(shí)現(xiàn)液滴的捕獲。如圖4所示，所捕獲的液滴中，位于左捕獲袋中的液滴含有一個(gè)熒光微珠，而位于右捕獲袋中的液滴內(nèi)是空的。

當(dāng)對(duì)左捕獲袋對(duì)應(yīng)的電極對(duì)施加500 V電壓時(shí)，只有位于左捕獲袋中的液滴被成功提取出來(lái)。這些結(jié)果表明，正介電泳只發(fā)生在對(duì)電極對(duì)施加電壓的捕獲袋中，從而證實(shí)了選擇性液滴提取的可行性。

圖4 利用微流控裝置進(jìn)行目標(biāo)液滴的選擇性提?。弘妷褐皇┘釉谧箅姌O對(duì)上

接下來(lái)，研究人員通過(guò)測(cè)試使用細(xì)胞進(jìn)行可重復(fù)實(shí)驗(yàn)的能力，驗(yàn)證了該微流控裝置的生物效用。圖5顯示了包裹大腸桿菌細(xì)胞的瓊脂糖液滴的捕獲和提取。從微流控裝置入口以0.2 μ L/min的流速向微通道中注入包裹大腸桿菌細(xì)胞的瓊脂糖液滴和礦物油，結(jié)果液滴被成功捕獲在捕獲袋中。在相應(yīng)的電極對(duì)上施加500 V電壓后，電極對(duì)之間產(chǎn)生了足夠的正介電泳，實(shí)現(xiàn)了液滴的提取。結(jié)果表明，該微流控裝置能有效夠捕獲和提取包裹細(xì)菌和其他生物分子的液滴，具有良好的生物效用。

圖5 包裹大腸桿菌的瓊脂糖滴的捕獲和提取

最后，為了評(píng)估提取過(guò)程是否破壞了液滴中的大腸桿菌細(xì)胞，研究人員比較了施加電壓的液滴（DEP液滴）和未施加電壓的液滴（對(duì)照液滴）內(nèi)細(xì)胞的特定生長(zhǎng)速率。結(jié)果表明，該研究中使用的提取工藝對(duì)大腸桿菌的生存能力沒(méi)有顯著影響。

圖6 瓊脂糖液滴包裹大腸桿菌細(xì)胞的顯微照片：（A）孵育0 h后的對(duì)照滴液；（B）孵育15 h后的對(duì)照滴液；（C）孵育0 h后的DEP滴液；（D）孵育15 h后的DEP滴液

綜上所述，在該研究工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的新型微流控裝置，用于液滴的捕獲和低損傷選擇性提取。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微流控裝置能夠有效捕獲和選擇性提取液滴，并且提取過(guò)程對(duì)細(xì)胞活力沒(méi)有顯著影響。因此，該研究的結(jié)果將有助于基于液滴的單細(xì)胞分析的進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯：劉清