02. huhtikuuta 2024 (Nanowerkin kohdevalo) mikrofluidistiikka, teknologia, joka ohjaa tarkasti nesteitä submillimetrin asteikolla, on pitkään pitänyt lupauksensa mullistaa biologinen tutkimus ja lääketieteellinen diagnostiikka. Pienentämällä määritykset pieniksi vesi öljyssä -pisaroiksi nämä alustat voivat analysoida yksittäisiä soluja ennennäkemättömällä nopeudella ja tehokkuudella ja samalla vähentää merkittävästi reagenssikustannuksia. Jokainen pikolitraa mittakaavassa oleva pisara toimii eristettynä mikroreaktorina, mikä mahdollistaa korkean suorituskyvyn tutkimukset solujen käyttäytymisestä ja mahdollistaa monipuoliset sovellukset lääkeseulonnasta harvinaisten solujen analyysiin. Pisara-mikrofluidiikan täyden potentiaalin vapauttamista on kuitenkin estänyt haaste analysoida nopeasti ja kattavasti näiden pienten osastojen sisältö. Perinteiset lähestymistavat perustuvat monimutkaisiin ja kalliisiin mikroskopiaasennuksiin, joissa käytetään nopeita kameroita jokaisen pisaran kuvaamiseen laitteen läpi virtaavien pisaroiden avulla. Tällaisten järjestelmien tekninen monimutkaisuus ja jyrkät kustannukset ovat rajoittaneet pisarapohjaisten tekniikoiden laajaa käyttöönottoa tutkimuksessa ja kliinisissä ympäristöissä. Nyt monitieteinen tutkijaryhmä on kehittänyt OptiDropin, innovatiivisen laitteen, joka voittaa nämä rajoitukset nerokkaasti integroimalla optisia kuituja suoraan mikrofluidipiiriin. Tämä uusi lähestymistapa mahdollistaa useiden optisten parametrien havaitsemisen yksittäisistä pisaroista ja niiden sisällöstä ilman mikroskoopin tai kameran käyttöä. Tulos, raportoi Microsystems & Nanoengineering ("Multipleksoitu fluoresenssin ja sironnan havaitseminen yhden solun erottelukyvyllä käyttämällä sirulla olevaa kuituoptiikkaa pisaroiden mikrofluidisovelluksiin"), on miniatyrisoitu, edullinen ja käyttäjäystävällinen alusta, joka tuo moniparametrisen yksisoluanalyysin tehon työpöytämuotoon.
a OptiDrop-alusta sisältää mikrofluidisirun, jossa on öljyn ja veden tuloaukko pisaroiden muodostumista varten virtauksen fokusoivassa risteyksessä. Vesifaasi kapseloituu pisaroiden sisään ja virtaa sen jälkeen optisen kyselykohdan (sisäosan) läpi, jota reunustavat joukko optisia kuituuria, jotka on järjestetty keskuskanavan ympärille. Sirun uria käytetään optisten kuitujen sijoittamiseen asetettuihin kulma-asemiin, mikä mahdollistaa tehokkaan pisaravalaistuksen tulevalla laservalolla ja sironneen valon ja fluoresenssisignaalien keräämisen, kun pisara kulkee valonsäteen läpi. Valokuitulähtö on kytketty PMT:hen havaitsemista varten. Jokaisesta PMT:stä saadut TTL-pulssilaskurit integroidaan FPGA-sirulle pulssilaskimella ja piirretään signaalin intensiteetin huipputietona. Raakadataa voidaan analysoida edelleen fluoresenssin intensiteettien tunnistamiseksi tai mittaamiseksi kiinnostuksen kohteena olevista soluista. b Pöydällä koottu yksikkö, jossa on jalkaviivain vaakaa varten sekä suoran datavirran katselunäyttö ja ruiskupumput. (Kuva: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) OptiDropin ydininnovaatio on optisten kuitujen strateginen sijoittaminen mikrofluidikanavan ympärille. Kun jokainen pisara kulkee kyselypisteen läpi, laser valaisee sen luoden sironta- ja fluoresenssisignaaleja. Nämä optiset signaalit kerätään tehokkaasti 45° kulmaan sijoitetuilla kuiduilla ja reititetään sitten erillisiin ilmaisimiin. Räätälöity elektroniikka digitalisoi signaalit reaaliajassa, mikä mahdollistaa jokaisen pisaran optisen profiilin välittömän visualisoinnin ja analyysin.
OptiDropin suorituskyvyn vahvistamiseksi tutkijat karakterisoivat ensin sen herkkyyden ja dynaamisen alueen käyttämällä standardoituja fluoresoivia väriaineita. Vaikuttavaa on, että laite pystyi havaitsemaan jopa 1 nanomolarin väriainepitoisuudet, mikä kilpailee perinteisillä instrumenteilla saavutettujen havainnointirajojen kanssa, mutta vaatii vain murto-osan näytetilavuudesta. Lisäksi OptiDropin mittaama fluoresenssin intensiteetti skaalautui lineaarisesti useilla pitoisuuksilla varmistaen tarkan ja luotettavan kvantifioinnin.
Sitten tutkijat osoittivat OptiDropin kyvyt hiukkasanalyysiin käyttämällä erikokoisia ja fluoresenssin intensiteettejä olevia mikrohelmiä solujäljittelijöinä. Alusta erottaa helmet helposti toisistaan sekä niiden fyysisten mittojen että optisten ominaisuuksien perusteella. Huomionarvoista on, että jopa heikosti ja kirkkaasti fluoresoivien helmien heterogeenisessa seoksessa OptiDrop tunnisti ja luetteloi tarkasti jokaisen alapopulaation. Tämä korostaa järjestelmän kestävyyttä monimutkaisten biologisten näytteiden analysoinnissa, jotka sisältävät erilaisia solutyyppejä.
Esitelläkseen alustan käyttökelpoisuutta biologisesti merkityksellisessä sovelluksessa ryhmä suoritti elävien solujen määrityksen, jossa tutkittiin tärkeimpien histokompatibiliteettikompleksien (MHC) proteiinien pinta-ilmentymistä immuunisoluissa. MHC-molekyylit ovat tärkeitä patogeenejä ja epänormaaleja soluja vastaan suunnattujen immuunivasteiden säätelijöitä, mikä tekee niiden ilmentymistasoista arvokkaita biomarkkereita. Hyödyntämällä fluoresoivasti leimattuja vasta-aineita, OptiDrop mahdollisti sekä MHC-luokan I että II proteiinien samanaikaisen havaitsemisen yksittäisistä pisaroiden sisään kapseloiduista soluista. Solujen stimulointi interferoni-gammalla, immunostimuloivalla sytokiinilla, sai aikaan odotetun MHC-ekspression lisääntymisen, jonka OptiDrop-alusta määritti herkästi.
OptiDropin kehitys merkitsee merkittävää askelta kohti huippuluokan yksisoluanalyysiominaisuuksien demokratisointia. Tämä innovatiivinen alusta on voittanut pisaramikronfluidiikan käyttöönoton estäneet kustannus- ja monimutkaisuusesteet, joten se tuo tehokkaat solukyselytyökalut laajemman tutkijoiden ja kliinikkojen ulottuville. Sen kohtuuhintaisuus, helppokäyttöisyys ja kestävyys tekevät siitä hyvin sopivan rutiininomaiseen käyttöön biolääketieteellisissä tutkimuslaboratorioissa ja hoitopisteiden diagnostisissa tiloissa.
OptiDropin mahdolliset sovellukset ovat laajoja ja kauaskantoisia. Taudin seurannan alalla se voisi mahdollistaa harvinaisten biomarkkerien ultraherkän havaitsemisen, mikä helpottaa ei-invasiivista varhaista diagnoosia ja hoitovasteen arviointia. Integrointi yksisoluisten sekvensointityönkulkujen kanssa voi mahdollistaa visuaalisten fenotyyppien suoran korreloinnin geeniekspressioprofiilien kanssa, mikä tarjoaa kattavamman ymmärryksen solujen tiloista. Lisäksi alustan suljettu rakenne ja kyky käsitellä nopeasti kliinisiä näytteitä tekevät siitä erityisen houkuttelevan tartuntatautitestauksessa ja muissa aikaherkissä diagnostisissa sovelluksissa.
Vaikka OptiDrop on merkittävä edistysaskel, sen ominaisuuksien optimoinnille ja laajentamiselle on vielä tilaa. Suorituskyvyn lisääminen mahdollistamalla nopeammat pisaroiden virtausnopeudet ja tuottamalla pienempiä pisaroita voisi parantaa sen tehokkuutta ja skaalautuvuutta. Aktiivisten lajittelutoimintojen integroiminen antaisi käyttäjille mahdollisuuden eristää tietyt kiinnostuksen kohteena olevat alaryhmät optisten allekirjoitustensa perusteella, mikä mahdollistaisi loppupään molekyylianalyysit. Lisäksi standardoitujen kasettirakenteiden ja intuitiivisten ohjelmistoliitäntöjen kehittäminen on ratkaisevan tärkeää sen toiminnan ja tietojen tulkinnan tehostamisessa.
Kun ymmärryksemme biologisista järjestelmistä muuttuu yhä vivahteikaisemmaksi, työkalut, kuten OptiDrop, jotka integroivat saumattomasti mikrofluidiikkaa, optiikkaa ja elektroniikkaa, ovat välttämättömiä niiden monimutkaisuuden selvittämisessä. Tarjoamalla saavutettavissa olevan ja monipuolisen alustan korkean suorituskyvyn yksisoluanalyysiin, OptiDrop tarjoaa tutkijoille ja kliinikoille tehokkaan työkalun uusien kysymysten esittämiseen, olemassa olevien paradigmien haastamiseen ja uraauurtavien löytöjen muuntamiseen merkityksellisiksi reaalimaailman vaikutuksiksi.
a OptiDrop-alusta sisältää mikrofluidisirun, jossa on öljyn ja veden tuloaukko pisaroiden muodostumista varten virtauksen fokusoivassa risteyksessä. Vesifaasi kapseloituu pisaroiden sisään ja virtaa sen jälkeen optisen kyselykohdan (sisäosan) läpi, jota reunustavat joukko optisia kuituuria, jotka on järjestetty keskuskanavan ympärille. Sirun uria käytetään optisten kuitujen sijoittamiseen asetettuihin kulma-asemiin, mikä mahdollistaa tehokkaan pisaravalaistuksen tulevalla laservalolla ja sironneen valon ja fluoresenssisignaalien keräämisen, kun pisara kulkee valonsäteen läpi. Valokuitulähtö on kytketty PMT:hen havaitsemista varten. Jokaisesta PMT:stä saadut TTL-pulssilaskurit integroidaan FPGA-sirulle pulssilaskimella ja piirretään signaalin intensiteetin huipputietona. Raakadataa voidaan analysoida edelleen fluoresenssin intensiteettien tunnistamiseksi tai mittaamiseksi kiinnostuksen kohteena olevista soluista. b Pöydällä koottu yksikkö, jossa on jalkaviivain vaakaa varten sekä suoran datavirran katselunäyttö ja ruiskupumput. (Kuva: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) OptiDropin ydininnovaatio on optisten kuitujen strateginen sijoittaminen mikrofluidikanavan ympärille. Kun jokainen pisara kulkee kyselypisteen läpi, laser valaisee sen luoden sironta- ja fluoresenssisignaaleja. Nämä optiset signaalit kerätään tehokkaasti 45° kulmaan sijoitetuilla kuiduilla ja reititetään sitten erillisiin ilmaisimiin. Räätälöity elektroniikka digitalisoi signaalit reaaliajassa, mikä mahdollistaa jokaisen pisaran optisen profiilin välittömän visualisoinnin ja analyysin.
OptiDropin suorituskyvyn vahvistamiseksi tutkijat karakterisoivat ensin sen herkkyyden ja dynaamisen alueen käyttämällä standardoituja fluoresoivia väriaineita. Vaikuttavaa on, että laite pystyi havaitsemaan jopa 1 nanomolarin väriainepitoisuudet, mikä kilpailee perinteisillä instrumenteilla saavutettujen havainnointirajojen kanssa, mutta vaatii vain murto-osan näytetilavuudesta. Lisäksi OptiDropin mittaama fluoresenssin intensiteetti skaalautui lineaarisesti useilla pitoisuuksilla varmistaen tarkan ja luotettavan kvantifioinnin.
Sitten tutkijat osoittivat OptiDropin kyvyt hiukkasanalyysiin käyttämällä erikokoisia ja fluoresenssin intensiteettejä olevia mikrohelmiä solujäljittelijöinä. Alusta erottaa helmet helposti toisistaan sekä niiden fyysisten mittojen että optisten ominaisuuksien perusteella. Huomionarvoista on, että jopa heikosti ja kirkkaasti fluoresoivien helmien heterogeenisessa seoksessa OptiDrop tunnisti ja luetteloi tarkasti jokaisen alapopulaation. Tämä korostaa järjestelmän kestävyyttä monimutkaisten biologisten näytteiden analysoinnissa, jotka sisältävät erilaisia solutyyppejä.
Esitelläkseen alustan käyttökelpoisuutta biologisesti merkityksellisessä sovelluksessa ryhmä suoritti elävien solujen määrityksen, jossa tutkittiin tärkeimpien histokompatibiliteettikompleksien (MHC) proteiinien pinta-ilmentymistä immuunisoluissa. MHC-molekyylit ovat tärkeitä patogeenejä ja epänormaaleja soluja vastaan suunnattujen immuunivasteiden säätelijöitä, mikä tekee niiden ilmentymistasoista arvokkaita biomarkkereita. Hyödyntämällä fluoresoivasti leimattuja vasta-aineita, OptiDrop mahdollisti sekä MHC-luokan I että II proteiinien samanaikaisen havaitsemisen yksittäisistä pisaroiden sisään kapseloiduista soluista. Solujen stimulointi interferoni-gammalla, immunostimuloivalla sytokiinilla, sai aikaan odotetun MHC-ekspression lisääntymisen, jonka OptiDrop-alusta määritti herkästi.
OptiDropin kehitys merkitsee merkittävää askelta kohti huippuluokan yksisoluanalyysiominaisuuksien demokratisointia. Tämä innovatiivinen alusta on voittanut pisaramikronfluidiikan käyttöönoton estäneet kustannus- ja monimutkaisuusesteet, joten se tuo tehokkaat solukyselytyökalut laajemman tutkijoiden ja kliinikkojen ulottuville. Sen kohtuuhintaisuus, helppokäyttöisyys ja kestävyys tekevät siitä hyvin sopivan rutiininomaiseen käyttöön biolääketieteellisissä tutkimuslaboratorioissa ja hoitopisteiden diagnostisissa tiloissa.
OptiDropin mahdolliset sovellukset ovat laajoja ja kauaskantoisia. Taudin seurannan alalla se voisi mahdollistaa harvinaisten biomarkkerien ultraherkän havaitsemisen, mikä helpottaa ei-invasiivista varhaista diagnoosia ja hoitovasteen arviointia. Integrointi yksisoluisten sekvensointityönkulkujen kanssa voi mahdollistaa visuaalisten fenotyyppien suoran korreloinnin geeniekspressioprofiilien kanssa, mikä tarjoaa kattavamman ymmärryksen solujen tiloista. Lisäksi alustan suljettu rakenne ja kyky käsitellä nopeasti kliinisiä näytteitä tekevät siitä erityisen houkuttelevan tartuntatautitestauksessa ja muissa aikaherkissä diagnostisissa sovelluksissa.
Vaikka OptiDrop on merkittävä edistysaskel, sen ominaisuuksien optimoinnille ja laajentamiselle on vielä tilaa. Suorituskyvyn lisääminen mahdollistamalla nopeammat pisaroiden virtausnopeudet ja tuottamalla pienempiä pisaroita voisi parantaa sen tehokkuutta ja skaalautuvuutta. Aktiivisten lajittelutoimintojen integroiminen antaisi käyttäjille mahdollisuuden eristää tietyt kiinnostuksen kohteena olevat alaryhmät optisten allekirjoitustensa perusteella, mikä mahdollistaisi loppupään molekyylianalyysit. Lisäksi standardoitujen kasettirakenteiden ja intuitiivisten ohjelmistoliitäntöjen kehittäminen on ratkaisevan tärkeää sen toiminnan ja tietojen tulkinnan tehostamisessa.
Kun ymmärryksemme biologisista järjestelmistä muuttuu yhä vivahteikaisemmaksi, työkalut, kuten OptiDrop, jotka integroivat saumattomasti mikrofluidiikkaa, optiikkaa ja elektroniikkaa, ovat välttämättömiä niiden monimutkaisuuden selvittämisessä. Tarjoamalla saavutettavissa olevan ja monipuolisen alustan korkean suorituskyvyn yksisoluanalyysiin, OptiDrop tarjoaa tutkijoille ja kliinikoille tehokkaan työkalun uusien kysymysten esittämiseen, olemassa olevien paradigmien haastamiseen ja uraauurtavien löytöjen muuntamiseen merkityksellisiksi reaalimaailman vaikutuksiksi.
– Michael on kirjoittanut kolme Royal Society of Chemistryn kirjaa:
Nano-yhteiskunta: Teknologian rajojen siirtäminen,
Nanoteknologia: Tulevaisuus on pienija
Nano-tekniikka: Osaamisen ja työkalujen tekeminen tekniikasta näkymättömäksi
Copyright ©
Nanowerk LLC
Ryhdy Spotlight-vieraskirjailijaksi! Liity laajaan ja kasvavaan ryhmäämme vierailevat avustajat. Oletko juuri julkaissut tieteellisen artikkelin vai onko sinulla muuta mielenkiintoista kehitystä nanoteknologiayhteisön kanssa? Näin julkaistaan nanowerk.com-sivustossa.
- SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
- PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
- PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
- PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
- Lähde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64952.php
