Microfluidica a goccioline per l'isolamento di singole cellule e il sequenziamento genomico

Lo screening continuo ad alta produttività basato su cellule presenta diversi vantaggi rispetto agli attuali metodi convenzionali basati su piastre. Le esclusive capacità di gestione dei liquidi offerte dai sistemi microfluidici hanno fornito l'opportunità di esplorare e sottoporre a screening diverse centinaia di migliaia di cellule in una questione di pochi minuti o ore con 1000 volte meno reagenti(1-3).

I sistemi microfluidici basati su goccioline si stanno affermando come strumenti preziosi per varie applicazioni che richiedono analisi biologiche e chimiche multifase. Il sequenziamento genomico a singola cellula è emerso di recente come un potente strumento per la mappatura dell'eterogeneità cellulare nei tessuti sia malati che sani. La microfluidica a goccioline è tra i candidati più promettenti per la cattura e l'elaborazione di migliaia di queste singole cellule per l'analisi dell'intero trascrittoma o genomica in modo massicciamente parallelo con un uso minimo di reagenti. Un particolare vantaggio della microfluidica basata su goccioline rispetto ai metodi di analisi o screening convenzionali è che la gocciolina fornisce la capacità di collegare il genotipo al fenotipo attraverso il metodo di compartimentazione poiché ogni gocciolina si comporta come un reattore isolato che racchiude singole cellule che possono essere facilmente manipolate e da cui si ottengono prontamente informazioni genomiche. Le molecole di interesse rimangono intrappolate all'interno della gocciolina e sono disponibili per l'analisi e l'ordinamento, consentendo un'efficiente codifica a barre e un'accuratezza dell'analisi.

Potomac è pioniera di nuove tecnologie di microfabbricazione che consentono la prototipazione rapida di diversi concetti di progettazione microfluidica a goccia utilizzando materiali ad alte prestazioni adatti per la scalabilità alla produzione industriale. Nella prossima sezione discuteremo la progettazione e la produzione di questi chip microfluidici altamente versatili.

Progettazione di chip microfluidici a goccia

Per realizzare i vantaggi della microfluidica a goccioline, il chip microfluidico deve essere progettato come un "generatore di goccioline". Le goccioline sono in genere generate creando due fasi liquide, una delle quali è una fase oleosa e la seconda delle quali è in genere una fase acquosa. Una delle fasi è designata dal progettista come fase continua mentre l'altra è la fase dispersa. Le goccioline sono prodotte incorporando canali e caratteristiche nel dispositivo microfluidico che creano le condizioni idrodinamiche richieste per la formazione di goccioline e il processo di formazione delle goccioline dipende fortemente dall'interazione della portata, delle proprietà fisiche del liquido e della geometria delle caratteristiche sul chip (4). I progetti delle caratteristiche sono in genere classificati come "co-flusso", "flusso incrociato" e "focalizzazione del flusso". Il co-flusso è ottenuto utilizzando microcanali coassiali in cui la fase continua scorre in un canale concentrico esterno e la fase dispersa scorre nel canale interno, entrambi nella stessa direzione. Nel progetto a flusso incrociato le fasi dispersa e continua si incontrano a un angolo formato dalla fabbricazione di canali di flusso microfluidici intersecanti. Il caso più comune è la giunzione a T, dove fasi disperse e continue convergono in canali perpendicolari. Altri progetti di canali microfluidici per la produzione di goccioline tramite flusso incrociato includono la "giunzione K" e la "giunzione a V". Infine, i progetti di focalizzazione del flusso incorporano una regione di contrazione microfluidica attraverso la quale scorrono flussi coassiali immiscibili e successivamente escono in un singolo microcanale, con conseguente creazione di goccioline uniformi. Questo metodo consente di creare goccioline molto piccole poiché il processo di formazione è strettamente correlato alle dimensioni della stretta contrazione.

Fabbricazione di chip a goccia

Le tecnologie avanzate di microfabbricazione consentono la progettazione flessibile di chip microfluidici a goccia, in modo che oggi un design di chip possa essere rapidamente prototipato per test di applicazioni utilizzando una varietà di tecniche come laser diretto e lavorazione meccanica e stampa 3D. Una volta che il design è stato finalizzato, può essere aumentato in volume e ridotto in termini di costi utilizzando tecnologie di microreplicazione come goffratura a caldo e stampaggio a microiniezione. Il team Process & Product Technology di Potomac ha l'esperienza per sviluppare soluzioni di microfabbricazione scalabili che si traducono in un processo di produzione completamente integrato per la produzione di questi chip. Utilizziamo anche una varietà di tecnologie avanzate di trattamento superficiale e di legame dei chip per modificare le proprietà dei materiali e ottenere guarnizioni in grado di resistere alla pressione. Gli esperti di microfluidica e microfabbricazione di Potomac possono persino consigliarti sulla progettazione del chip microfluidico personalizzato per la tua applicazione e svilupperanno un modello di costo dettagliato che ti consentirà di prevedere come cambieranno i tuoi costi unitari all'aumentare dei requisiti di produzione.

Rimane una grande finestra per l'innovazione nell'area della microfluidica a goccioline e i laboratori in tutto il mondo continuano a identificare nuove applicazioni per questa tecnologia. È probabile che l'analisi delle singole cellule mediante microfluidica a goccioline si evolva insieme ai progressi nel DNA e
Tecnologie di sequenziamento, amplificazione ed espressione dell'RNA.

Riferimenti
1. Kaminski, TS, Scheler, O. & Garstecki, P. Microfluidica a goccia per la microbiologia: tecniche, applicazioni e sfide. Lab Chip 16, 2168–2187 (2016).
2. Teh, SY, Lin, R., Hung, LH e Lee, AP Microfluidica a gocce. Lab Chip 8, 198–220 (2008).
3. Schütz, SS, Beneyton, T., Baret, JC e Schneider, TM Progettazione razionale di un selezionatore di goccioline ad alta produttività. Lab Chip 19, 2220–2232 (2019).
4. Shang et al., Chem Rev., 2017, 117, 7964-8040