Microfluídica de gotas para el aislamiento de células individuales y la secuenciación genómica

El cribado continuo de alto rendimiento basado en células presenta varias ventajas en comparación con los métodos convencionales basados en placas actuales. Las capacidades únicas de manipulación de líquidos que ofrecen los sistemas microfluídicos han brindado la oportunidad de explorar y cribar cientos de miles de células en cuestión de minutos u horas con 1000 veces menos reactivos (1-3).

Los sistemas de microfluidos basados en gotitas se están consolidando como herramientas valiosas para diversas aplicaciones que requieren ensayos biológicos y químicos de varios pasos. La secuenciación genómica de células individuales ha surgido recientemente como una herramienta poderosa para mapear la heterogeneidad celular tanto en tejidos enfermos como sanos. La microfluídica de gotitas es uno de los candidatos más prometedores para capturar y procesar miles de estas células individuales para el análisis genómico o del transcriptoma completo de una manera masivamente paralela con un uso mínimo de reactivos. Una ventaja particular de la microfluídica basada en gotitas en comparación con los métodos de análisis o detección convencionales es que la gotita proporciona la capacidad de vincular el genotipo con el fenotipo a través del método de compartimentación, ya que cada gotita se comporta como un reactor aislado que encierra células individuales que se pueden manipular fácilmente y de las que se obtiene fácilmente información genómica. Las moléculas de interés quedan atrapadas dentro de la gotita y están disponibles para su análisis y clasificación, lo que permite un código de barras eficiente y una precisión del análisis.

Potomac es pionera en nuevas tecnologías de microfabricación que permiten la creación rápida de prototipos de diferentes conceptos de diseño microfluídico de gotas utilizando materiales de alto rendimiento adecuados para su ampliación a la fabricación industrial. En la siguiente sección, analizaremos el diseño y la fabricación de estos chips microfluídicos altamente versátiles.

Diseño de chip microfluídico con gotitas

Para obtener los beneficios de la microfluídica de gotas, el chip microfluídico debe diseñarse como un "generador de gotas". Las gotas se generan típicamente creando dos fases líquidas, una de las cuales es una fase oleosa y la segunda de las cuales es típicamente una fase acuosa. Una de las fases es designada por el diseñador como la fase continua mientras que la otra es la fase dispersa. Las gotas se producen incorporando canales y características en el dispositivo microfluídico que crean las condiciones hidrodinámicas requeridas para la formación de gotas, y el proceso de formación de gotas depende fuertemente de la interacción del caudal, las propiedades físicas del líquido y la geometría de las características en el chip (4). Los diseños de características se clasifican típicamente como "co-flujo", "flujo cruzado" y "enfoque de flujo". El co-flujo se logra utilizando microcanales coaxiales donde la fase continua fluye en un canal concéntrico externo y la fase dispersa fluye en el canal interno, ambos en la misma dirección. En el diseño de flujo cruzado las fases dispersa y continua se encuentran en un ángulo formado mediante la fabricación de canales de flujo microfluídico que se cruzan. El caso más común es la unión en T, donde las fases dispersas y continuas convergen en canales perpendiculares. Otros diseños de canales microfluídicos para producir gotitas mediante flujo cruzado incluyen la “unión en K” y la “unión en V”. Finalmente, los diseños de enfoque de flujo incorporan una región de contracción microfluídica a través de la cual fluyen corrientes coaxiales inmiscibles y posteriormente salen a un único microcanal, lo que da como resultado la creación de gotitas uniformes. Este método permite generar gotitas muy pequeñas, ya que el proceso de formación está estrechamente relacionado con el tamaño de la contracción estrecha.

Fabricación de chips en forma de gotas

Las tecnologías avanzadas de microfabricación permiten el diseño flexible de chips microfluídicos de gotas, de modo que hoy en día se puede crear rápidamente un prototipo de un diseño de chip para probar aplicaciones utilizando una variedad de técnicas, como el mecanizado mecánico y láser directo y la impresión 3D. Una vez que se ha finalizado el diseño, se puede aumentar su volumen y reducir su costo mediante el uso de tecnologías de microrreplicación, como el estampado en caliente y el moldeo por microinyección. El equipo de Tecnología de procesos y productos de Potomac tiene la experiencia para desarrollar soluciones de microfabricación escalables que dan como resultado un proceso de fabricación completamente integrado para producir estos chips. También utilizamos una variedad de tecnologías avanzadas de tratamiento de superficies y unión de chips para modificar las propiedades del material y lograr sellos que puedan soportar la presión. Los expertos en microfluidos y microfabricación de Potomac incluso pueden asesorarlo sobre el diseño del chip microfluídico personalizado para su aplicación y desarrollarán un modelo de costos detallado que le permitirá predecir cómo cambiarán sus costos unitarios a medida que aumenten sus requisitos de producción.

Aún queda mucho margen para la innovación en el área de la microfluídica de gotitas y los laboratorios de todo el mundo siguen identificando nuevas aplicaciones para esta tecnología. Es probable que el análisis de células individuales mediante microfluídica de gotitas evolucione junto con los avances en el ADN y
Tecnologías de secuenciación, amplificación y expresión de ARN.

Referencias
1. Kaminski, TS, Scheler, O. y Garstecki, P. Microfluídica de gotas para microbiología: técnicas, aplicaciones y desafíos. Lab Chip 16, 2168–2187 (2016).
2. Teh, SY, Lin, R., Hung, LH y Lee, AP Microfluídica de gotas. Lab Chip 8, 198–220 (2008).
3. Schütz, SS, Beneyton, T., Baret, JC y Schneider, TM Diseño racional de un clasificador de gotas de alto rendimiento. Lab Chip 19, 2220–2232 (2019).
4. Shang et al., Chem Rev., 2017, 117, 7964-8040