신속하고 저렴한 세포 분석을 위해 미세 유체 및 광학을 활용하는 새로운 플랫폼

02년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 미세 유체 학밀리미터 미만 규모의 유체를 정밀하게 제어하는 기술인 는 생물학적 연구와 의료 진단에 혁명을 일으킬 것이라는 약속을 오랫동안 지켜왔습니다. 이러한 플랫폼은 분석을 작은 기름 속의 물 방울로 소형화함으로써 전례 없는 속도와 효율성으로 개별 세포를 분석하는 동시에 시약 비용을 대폭 절감할 수 있습니다. 각 피코리터 규모의 액적은 분리된 마이크로반응기 역할을 하여 세포 행동에 대한 높은 처리량 연구를 가능하게 하고 약물 스크리닝부터 희귀 세포 분석까지 다양한 응용을 가능하게 합니다. 그러나 액적 미세유체의 잠재력을 최대한 활용하는 것은 이러한 작은 구획의 내용물을 신속하고 종합적으로 분석하는 과제로 인해 방해를 받았습니다. 기존의 접근 방식은 복잡하고 값비싼 현미경 설정에 의존하며 고속 카메라를 활용하여 장치를 통해 흐르는 각 액적을 이미지화합니다. 이러한 시스템과 관련된 기술적 복잡성과 높은 비용으로 인해 연구 및 임상 환경에서 액적 기반 기술의 광범위한 채택이 제한되었습니다. 이제 다양한 분야의 과학자들로 구성된 팀이 광섬유를 미세유체 칩 내에 직접 통합하여 이러한 한계를 독창적으로 극복하는 혁신적인 장치인 OptiDrop을 개발했습니다. 이 새로운 접근 방식을 사용하면 현미경이나 카메라에 의존하지 않고도 개별 액적과 그 내용물에서 여러 광학 매개변수를 감지할 수 있습니다. 결과는 Microsystems & Nanoengineering("액적 미세유체 응용을 위한 온칩 광섬유를 사용하여 단일 세포 분해능으로 다중화된 형광 및 산란 검출")는 다중 매개변수 단일 세포 분석의 성능을 벤치탑 형식으로 구현하는 소형화되고 저렴하며 사용자 친화적인 플랫폼입니다.

OptiDrop 플랫폼은 흐름 집중 접합부에서 물방울을 형성하기 위한 오일 및 물 유입구가 있는 미세유체 칩으로 구성됩니다.

a OptiDrop 플랫폼은 흐름 집중 접합부에서 물방울을 형성하기 위한 오일 및 물 입구가 있는 미세유체 칩으로 구성됩니다. 수성 상은 액적 내에 캡슐화되고 이어서 중앙 채널 주위에 배열된 광섬유 홈 세트 옆에 있는 광학 조사 사이트(삽입)를 통해 흐릅니다. 칩의 홈은 설정된 각도 위치에 광섬유를 수용하는 데 사용되어 입사 레이저 광으로 효과적인 물방울 조명을 허용하고 물방울이 광선을 통과할 때 산란된 빛과 형광 신호를 수집할 수 있습니다. 광섬유 출력은 감지를 위해 PMT에 연결됩니다. 각 PMT의 TTL 펄스 수는 펄스 카운터가 있는 FPGA 칩에 통합되어 원시 신호 강도 피크 데이터로 표시됩니다. 원시 데이터를 추가로 분석하여 관심 있는 세포의 형광 강도를 식별하거나 측정할 수 있습니다. b 실시간 데이터 스트림 보기 화면 및 주사기 펌프와 함께 눈금을 측정할 수 있는 발 눈금자가 포함된 벤치탑 조립 장치입니다. (이미지: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) OptiDrop의 핵심 혁신은 미세유체 채널 주위에 광섬유를 전략적으로 배치하는 데 있습니다. 각 물방울이 조사 지점을 통과하면 레이저가 이를 비추어 산란 및 형광 신호를 생성합니다. 이러한 광 신호는 45° 각도로 배치된 광섬유에 의해 효율적으로 수집된 다음 별도의 감지기로 라우팅됩니다. 맞춤형 전자 장치는 실시간으로 신호를 디지털화하여 각 액적의 광학 프로필을 즉시 시각화하고 분석할 수 있습니다. OptiDrop의 성능을 검증하기 위해 연구원들은 먼저 표준화된 형광 염료를 사용하여 감도와 동적 범위를 특성화했습니다. 놀랍게도 이 장치는 1나노몰만큼 낮은 염료 농도도 감지할 수 있었는데, 이는 샘플 부피의 일부만 필요로 하면서 기존 기기로 달성한 감지 한계에 필적하는 수준이었습니다. 또한 OptiDrop으로 측정한 형광 강도는 광범위한 농도에 걸쳐 선형적으로 확장되어 정확하고 신뢰할 수 있는 정량화를 보장합니다. 그런 다음 연구원들은 세포 모방으로 다양한 크기와 형광 강도의 마이크로비드를 사용하여 입자 분석에 대한 OptiDrop의 기능을 시연했습니다. 플랫폼은 물리적 치수와 광학적 특성을 기반으로 비드를 쉽게 구별합니다. 특히, 희미한 형광 구슬과 밝은 형광 구슬의 이질적인 혼합물에서도 OptiDrop은 각 하위 집단을 정확하게 식별하고 열거했습니다. 이는 다양한 세포 유형을 포함하는 복잡한 생물학적 시료를 분석하는 데 있어 시스템의 견고성을 강조합니다. 생물학적으로 관련된 응용 분야에 대한 플랫폼의 유용성을 보여주기 위해 팀은 면역 세포에서 주요 조직 적합성 복합체(MHC) 단백질의 표면 발현을 조사하는 살아있는 세포 분석을 수행했습니다. MHC 분자는 병원체 및 비정상 세포에 대한 면역 반응의 중요한 조절자로서 발현 수준을 귀중한 바이오마커로 만듭니다. OptiDrop은 형광 표지된 항체를 활용하여 물방울 내에 캡슐화된 개별 세포에서 MHC 클래스 I 및 II 단백질을 동시에 검출할 수 있게 했습니다. 면역자극 사이토카인인 인터페론-감마로 세포를 자극하면 예상되는 MHC 발현의 상향 조절이 유도되었으며, 이는 OptiDrop 플랫폼에 의해 민감하게 정량화되었습니다. OptiDrop의 개발은 최첨단 단일 세포 분석 기능을 대중화하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 액적 미세유체학의 채택을 방해하는 비용 및 복잡성 장벽을 극복함으로써 이 혁신적인 플랫폼은 광범위한 연구자와 임상의가 사용할 수 있는 강력한 세포 조사 도구를 제공합니다. 저렴한 가격, 사용자 친화성 및 견고성 덕분에 생의학 연구 실험실 및 현장 진단 환경의 일상적인 배포에 매우 적합합니다. OptiDrop의 잠재적인 응용 분야는 광범위하고 광범위합니다. 질병 모니터링 영역에서는 희귀 바이오마커의 초고감도 검출을 가능하게 하여 비침습적 조기 진단 및 치료 반응 평가를 촉진할 수 있습니다. 단일 세포 시퀀싱 워크플로우와 통합하면 시각적 표현형과 유전자 발현 프로파일의 직접적인 상관관계가 가능해지며, 세포 상태에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공할 수 있습니다. 또한 플랫폼의 폐쇄형 설계와 임상 검체를 신속하게 처리할 수 있는 능력 덕분에 전염병 테스트 및 기타 시간에 민감한 진단 응용 분야에 특히 매력적입니다. OptiDrop은 상당한 발전을 나타내지만 여전히 추가 최적화 및 기능 확장의 여지가 있습니다. 더 빠른 액적 유속을 활성화하고 더 작은 액적을 생성하여 처리량을 늘리면 효율성과 확장성이 향상될 수 있습니다. 활성 정렬 기능을 통합하면 사용자가 광학 시그니처를 기반으로 관심 있는 특정 하위 모집단을 분리하여 다운스트림 분자 분석을 수행할 수 있습니다. 또한 표준화된 카트리지 설계와 직관적인 소프트웨어 인터페이스의 개발은 작동 및 데이터 해석을 간소화하는 데 중요합니다. 생물학적 시스템에 대한 우리의 이해가 점점 더 미묘해짐에 따라 미세 유체, 광학 및 전자 장치를 원활하게 통합하는 OptiDrop과 같은 도구는 복잡성을 해결하는 데 필수적입니다. 높은 처리량의 단일 세포 분석을 위한 접근 가능하고 다양한 플랫폼을 제공함으로써 OptiDrop은 연구원과 임상의에게 새로운 질문을 던지고 기존 패러다임에 도전하며 획기적인 발견을 의미 있는 실제 영향으로 변환할 수 있는 강력한 도구를 제공합니다.

By

마이클
버거