Tröpfchenmikrofluidik für Einzelzellisolierung und Genomsequenzierung

Das kontinuierliche zellbasierte Hochdurchsatz-Screening hat gegenüber den derzeitigen konventionellen plattenbasierten Methoden mehrere Vorteile. Die einzigartigen Möglichkeiten der Flüssigkeitsverarbeitung durch mikrofluidische Systeme bieten die Möglichkeit, mehrere hunderttausend Zellen in wenigen Minuten oder Stunden mit 1000-fach weniger Reagenzien zu untersuchen und zu screenen(1-3) .

Mikrofluidische Systeme auf Tröpfchenbasis etablieren sich zunehmend als wertvolle Werkzeuge für verschiedene Anwendungen, die mehrstufige biologische und chemische Tests erfordern. Die genomische Einzelzellsequenzierung hat sich in letzter Zeit als leistungsfähiges Instrument zur Kartierung der zellulären Heterogenität sowohl in krankem als auch in gesundem Gewebe erwiesen. Die Tröpfchenmikrofluidik gehört zu den vielversprechendsten Kandidaten für die Erfassung und Verarbeitung Tausender dieser einzelnen Zellen für die Ganztranskriptom- oder Genomanalyse in massiv paralleler Weise bei minimalem Reagenzienverbrauch. Ein besonderer Vorteil der Mikrofluidik auf Tröpfchenbasis im Vergleich zu herkömmlichen Analyse- oder Screening-Methoden besteht darin, dass das Tröpfchen die Möglichkeit bietet, den Genotyp mit dem Phänotyp durch die Methode der Kompartimentierung zu verknüpfen, da sich jedes Tröpfchen wie ein isolierter Reaktor verhält, der einzelne Zellen umschließt, die leicht manipuliert werden können und aus denen sich leicht genomische Informationen gewinnen lassen. Die interessierenden Moleküle bleiben im Inneren des Tröpfchens eingeschlossen und stehen für die Analyse und Sortierung zur Verfügung, was ein effizientes Barcoding und eine genaue Analyse ermöglicht.

Potomac leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung neuer Mikrofabrikationstechnologien, die ein schnelles Prototyping verschiedener mikrofluidischer Tröpfchen-Designkonzepte unter Verwendung von Hochleistungsmaterialien ermöglichen, die sich für die industrielle Fertigung eignen. Im nächsten Abschnitt werden wir das Design und die Herstellung dieser äußerst vielseitigen mikrofluidischen Chips diskutieren.

Tröpfchen-Mikrofluidik-Chip-Design

Um die Vorteile der Tröpfchenmikrofluidik nutzen zu können, muss der Mikrofluidik-Chip als "Tröpfchengenerator" konzipiert sein. Tröpfchen werden in der Regel durch die Erzeugung zweier flüssiger Phasen erzeugt, von denen eine eine Ölphase und die zweite in der Regel eine wässrige Phase ist. Eine der Phasen wird vom Konstrukteur als kontinuierliche Phase bezeichnet, während die andere die dispergierte Phase ist. Tröpfchen werden erzeugt, indem Kanäle und Merkmale in die mikrofluidische Vorrichtung eingebaut werden, die die erforderlichen hydrodynamischen Bedingungen für die Tröpfchenbildung schaffen, und der Prozess der Tröpfchenbildung hängt stark von der Wechselwirkung zwischen der Durchflussrate, den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und der Geometrie der Merkmale auf dem Chip ab(4) . Die Merkmale werden typischerweise als "Co-Flow", "Cross-Flow" und "Flow Focusing" klassifiziert. Co-Flow wird mit koaxialen Mikrokanälen erreicht, bei denen die kontinuierliche Phase in einem äußeren konzentrischen Kanal und die dispergierte Phase im inneren Kanal fließt, beide in die gleiche Richtung. Beim Crossflow-Design treffen die dispergierte und die kontinuierliche Phase in einem Winkel aufeinander, der durch die Herstellung sich kreuzender mikrofluidischer Strömungskanäle gebildet wird. Der häufigste Fall ist die T-Verzweigung, bei der dispergierte und kontinuierliche Phasen in senkrechten Kanälen zusammenfließen. Andere mikrofluidische Kanaldesigns zur Erzeugung von Tröpfchen durch Querströmung sind die "K-Verzweigung" und die "V-Verzweigung". Bei der Strömungsfokussierung schließlich wird ein mikrofluidischer Kontraktionsbereich verwendet, durch den koaxiale, nicht mischbare Ströme fließen und anschließend in einen einzigen Mikrokanal münden, was zur Erzeugung einheitlicher Tröpfchen führt. Mit dieser Methode können sehr kleine Tröpfchen erzeugt werden, da der Entstehungsprozess eng mit der Größe der engen Verengung zusammenhängt.

Herstellung von Tröpfchenchips

Fortgeschrittene Mikrofertigungstechnologien ermöglichen ein flexibles Design von mikrofluidischen Tröpfchenchips, so dass heute ein Chipdesign für Anwendungstests mit einer Vielzahl von Techniken wie direkter Laser- und mechanischer Bearbeitung und 3-D-Druck schnell prototypisiert werden kann. Sobald das Design fertiggestellt ist, kann es durch den Einsatz von Mikroreplikationstechnologien wie Heißprägen und Mikrospritzguss in der Menge vergrößert und in den Kosten reduziert werden. Das Team für Prozess- und Produkttechnologie von Potomac verfügt über das Fachwissen, um skalierbare Mikrofabrikationslösungen zu entwickeln, die zu einem vollständig integrierten Fertigungsprozess für die Herstellung dieser Chips führen. Darüber hinaus setzen wir eine Vielzahl fortschrittlicher Oberflächenbehandlungs- und Chip-Bonding-Technologien ein, um die Materialeigenschaften zu verändern und druckfeste Dichtungen zu erzielen. Die Experten für Mikrofluidik und Mikrofabrikation von Potomac können Sie sogar bei der Gestaltung des für Ihre Anwendung maßgeschneiderten Mikrofluidik-Chips beraten und ein detailliertes Kostenmodell entwickeln, mit dem Sie vorhersagen können, wie sich Ihre Stückkosten bei steigenden Produktionsanforderungen verändern werden.

Im Bereich der Tröpfchenmikrofluidik gibt es nach wie vor ein großes Innovationspotenzial, und Labors auf der ganzen Welt suchen weiterhin nach neuen Anwendungen für diese Technologie. Die Einzelzellanalyse mit Hilfe der Tröpfchenmikrofluidik wird sich wahrscheinlich zusammen mit den Fortschritten bei der DNA- und
RNA-Sequenzierung, Amplifikation und Expressionstechnologien weiterentwickeln.

Referenzen
1. Kaminski, T. S., Scheler, O. & Garstecki, P. Droplet microfluidics for microbiology: Techniques, applications and challenges. Lab Chip 16, 2168-2187 (2016).
2. Teh, S. Y., Lin, R., Hung, L. H. & Lee, A. P. Droplet microfluidics. Lab Chip 8, 198-220 (2008).
3. Schütz, S. S., Beneyton, T., Baret, J. C. & Schneider, T. M. Rational design of a high-throughput droplet sorter. Lab Chip 19, 2220-2232 (2019).
4. Shang et al. Chem Rev., 2017, 117, 7964-8040