02. april 2024 (Žarišče Nanowerk) Mikrofluidika, tehnologija natančnega nadzora tekočin na submilimetrskem merilu, že dolgo obljublja revolucijo bioloških raziskav in medicinske diagnostike. Z miniaturiziranjem testov v drobne kapljice vode v olju lahko te platforme analizirajo posamezne celice z izjemno hitrostjo in učinkovitostjo, hkrati pa drastično zmanjšajo stroške reagenta. Vsaka kapljica v velikosti pikolitra služi kot izoliran mikroreaktor, ki omogoča visoko zmogljive študije celičnega vedenja in omogoča različne aplikacije od presejanja zdravil do analize redkih celic. Vendar pa je sprostitev celotnega potenciala mikrofluidike kapljic oviral izziv hitre in celovite analize vsebine teh majhnih predelkov. Običajni pristopi se zanašajo na zapletene in drage mikroskopske nastavitve z uporabo hitrih kamer za slikanje vsake kapljice, ko teče skozi napravo. Tehnična zapletenost in visoki stroški, povezani s takimi sistemi, so omejili široko uporabo tehnik, ki temeljijo na kapljicah, v raziskovalnih in kliničnih okoljih. Zdaj je multidisciplinarna ekipa znanstvenikov razvila OptiDrop, inovativno napravo, ki genialno premaga te omejitve z integracijo optičnih vlaken neposredno v mikrofluidni čip. Ta nov pristop omogoča zaznavanje več optičnih parametrov iz posameznih kapljic in njihove vsebine brez zanašanja na mikroskop ali kamero. Rezultat, objavljen v Microsystems & Nanoengineering ("Multipleksirana fluorescenca in detekcija razpršenosti z ločljivostjo ene celice z uporabo optičnih vlaken na čipu za mikrofluidne aplikacije kapljic"), je miniaturna, cenovno dostopna in uporabniku prijazna platforma, ki prinaša moč večparametrske enocelične analize v namizni format.
a Platforma OptiDrop obsega mikrofluidni čip z vstopom za olje in vodo za tvorbo kapljic na stičišču za fokusiranje toka. Vodna faza je inkapsulirana v kapljicah in nato teče skozi mesto optičnega zasliševanja (vložek), obdano z nizom utorov optičnih vlaken, razporejenih okoli osrednjega kanala. Žlebovi na čipu se uporabljajo za namestitev optičnih vlaken na nastavljenih kotnih položajih, kar omogoča učinkovito osvetlitev kapljic z vpadno lasersko svetlobo in zbiranje razpršene svetlobe in fluorescenčnih signalov, ko kapljica prehaja skozi svetlobni žarek. Izhod iz optičnih vlaken je povezan v PMT za zaznavanje. Štetje impulzov TTL iz vsakega PMT je integrirano s čipom FPGA s števcem impulzov in prikazano kot neobdelani najvišji podatki o intenziteti signala. Neobdelane podatke je mogoče nadalje analizirati za identifikacijo ali merjenje intenzivnosti fluorescence celic, ki nas zanimajo. b Namizna sestavljena enota z nožnim ravnilom za tehtnico skupaj z zaslonom za ogled toka podatkov v živo in črpalkami za brizgo. (Slika: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) Osrednja inovacija OptiDrop je v strateškem pozicioniranju optičnih vlaken okoli mikrofluidnega kanala. Ko gre vsaka kapljica skozi spraševalno točko, jo laser osvetli in ustvari razpršene in fluorescenčne signale. Te optične signale učinkovito zbirajo vlakna, nameščena pod kotom 45°, in nato usmerjena v ločene detektorje. Po meri zgrajena elektronika digitalizira signale v realnem času, kar omogoča takojšnjo vizualizacijo in analizo optičnega profila vsake kapljice.
Da bi potrdili delovanje OptiDropa, so raziskovalci najprej opredelili njegovo občutljivost in dinamični razpon z uporabo standardiziranih fluorescentnih barvil. Presenetljivo je, da je naprava lahko zaznala koncentracije barvila tako nizke kot 1 nanoMolar, kar je konkurenčno mejam zaznave, ki jih dosegajo običajni instrumenti, medtem ko je zahteval le del volumna vzorca. Poleg tega se je intenzivnost fluorescence, izmerjena z OptiDropom, linearno spreminjala v širokem razponu koncentracij, kar zagotavlja natančno in zanesljivo kvantifikacijo.
Raziskovalci so nato prikazali zmožnosti OptiDrop za analizo delcev z uporabo mikrokroglic različnih velikosti in intenzivnosti fluorescence kot imitacije celic. Platforma je zlahka razlikovala med kroglicami na podlagi njihovih fizičnih dimenzij in optičnih lastnosti. OptiDrop je celo v heterogeni mešanici medlo in svetlo fluorescenčnih kroglic natančno identificiral in naštel vsako podpopulacijo. To poudarja robustnost sistema pri analizi kompleksnih bioloških vzorcev, ki vsebujejo različne vrste celic.
Da bi predstavili uporabnost platforme za biološko pomembno aplikacijo, je ekipa izvedla test v živih celicah, ki je raziskoval površinsko izražanje proteinov glavnega histokompatibilnega kompleksa (MHC) na imunskih celicah. Molekule MHC so ključni regulatorji imunskih odzivov proti patogenom in nenormalnim celicam, zaradi česar so njihove stopnje izražanja dragoceni biomarkerji. Z izkoriščanjem fluorescentno označenih protiteles je OptiDrop omogočil hkratno odkrivanje proteinov MHC razreda I in II na posameznih celicah, inkapsuliranih v kapljicah. Stimulacija celic z interferonom gama, imunostimulacijskim citokinom, je izzvala pričakovano povečano ekspresijo MHC, ki jo je občutljivo kvantificirala platforma OptiDrop.
Razvoj OptiDrop pomeni pomemben korak k demokratizaciji vrhunskih zmožnosti enocelične analize. S premagovanjem ovir glede stroškov in kompleksnosti, ki so ovirale sprejetje mikrofluidike kapljic, ta inovativna platforma prinaša zmogljiva orodja za celično zasliševanje v doseg širšemu krogu raziskovalcev in klinikov. Zaradi svoje cenovne dostopnosti, prijaznosti do uporabnika in robustnosti je zelo primeren za rutinsko uporabo v biomedicinskih raziskovalnih laboratorijih in diagnostičnih okoljih na točkah oskrbe.
Možnosti uporabe OptiDropa so velike in daljnosežne. Na področju spremljanja bolezni bi lahko omogočil ultrasenzibilno odkrivanje redkih biomarkerjev, kar bi olajšalo neinvazivno zgodnjo diagnozo in oceno odziva na zdravljenje. Integracija z delovnimi tokovi enoceličnega zaporedja lahko omogoči neposredno korelacijo vizualnih fenotipov s profili izražanja genov, kar ponuja celovitejše razumevanje celičnih stanj. Poleg tega je platforma zaradi zaprte zasnove in zmožnosti hitre obdelave kliničnih vzorcev še posebej privlačna za testiranje nalezljivih bolezni in druge časovno občutljive diagnostične aplikacije.
Čeprav OptiDrop predstavlja pomemben napredek, še vedno obstaja prostor za nadaljnjo optimizacijo in razširitev njegovih zmogljivosti. Povečanje prepustnosti z omogočanjem hitrejših pretokov kapljic in ustvarjanjem manjših kapljic bi lahko povečalo njegovo učinkovitost in razširljivost. Vključevanje funkcij aktivnega razvrščanja bi uporabnikom omogočilo, da izolirajo specifične subpopulacije, ki jih zanimajo, na podlagi njihovih optičnih podpisov, kar bi omogočilo nadaljnje molekularne analize. Poleg tega bo razvoj standardiziranih dizajnov kartuš in intuitivnih programskih vmesnikov ključnega pomena za racionalizacijo njenega delovanja in interpretacije podatkov.
Ker naše razumevanje bioloških sistemov postaja vse bolj niansirano, bodo orodja, kot je OptiDrop, ki brezhibno integrirajo mikrofluidiko, optiko in elektroniko, nepogrešljiva za razkrivanje njihovih zapletenosti. Z zagotavljanjem dostopne in vsestranske platforme za visoko zmogljivo enocelično analizo OptiDrop opremlja raziskovalce in klinike z zmogljivim orodjem za postavljanje novih vprašanj, izzivanje obstoječih paradigem in prevajanje prelomnih odkritij v pomembne vplive v resničnem svetu.
a Platforma OptiDrop obsega mikrofluidni čip z vstopom za olje in vodo za tvorbo kapljic na stičišču za fokusiranje toka. Vodna faza je inkapsulirana v kapljicah in nato teče skozi mesto optičnega zasliševanja (vložek), obdano z nizom utorov optičnih vlaken, razporejenih okoli osrednjega kanala. Žlebovi na čipu se uporabljajo za namestitev optičnih vlaken na nastavljenih kotnih položajih, kar omogoča učinkovito osvetlitev kapljic z vpadno lasersko svetlobo in zbiranje razpršene svetlobe in fluorescenčnih signalov, ko kapljica prehaja skozi svetlobni žarek. Izhod iz optičnih vlaken je povezan v PMT za zaznavanje. Štetje impulzov TTL iz vsakega PMT je integrirano s čipom FPGA s števcem impulzov in prikazano kot neobdelani najvišji podatki o intenziteti signala. Neobdelane podatke je mogoče nadalje analizirati za identifikacijo ali merjenje intenzivnosti fluorescence celic, ki nas zanimajo. b Namizna sestavljena enota z nožnim ravnilom za tehtnico skupaj z zaslonom za ogled toka podatkov v živo in črpalkami za brizgo. (Slika: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) Osrednja inovacija OptiDrop je v strateškem pozicioniranju optičnih vlaken okoli mikrofluidnega kanala. Ko gre vsaka kapljica skozi spraševalno točko, jo laser osvetli in ustvari razpršene in fluorescenčne signale. Te optične signale učinkovito zbirajo vlakna, nameščena pod kotom 45°, in nato usmerjena v ločene detektorje. Po meri zgrajena elektronika digitalizira signale v realnem času, kar omogoča takojšnjo vizualizacijo in analizo optičnega profila vsake kapljice.
Da bi potrdili delovanje OptiDropa, so raziskovalci najprej opredelili njegovo občutljivost in dinamični razpon z uporabo standardiziranih fluorescentnih barvil. Presenetljivo je, da je naprava lahko zaznala koncentracije barvila tako nizke kot 1 nanoMolar, kar je konkurenčno mejam zaznave, ki jih dosegajo običajni instrumenti, medtem ko je zahteval le del volumna vzorca. Poleg tega se je intenzivnost fluorescence, izmerjena z OptiDropom, linearno spreminjala v širokem razponu koncentracij, kar zagotavlja natančno in zanesljivo kvantifikacijo.
Raziskovalci so nato prikazali zmožnosti OptiDrop za analizo delcev z uporabo mikrokroglic različnih velikosti in intenzivnosti fluorescence kot imitacije celic. Platforma je zlahka razlikovala med kroglicami na podlagi njihovih fizičnih dimenzij in optičnih lastnosti. OptiDrop je celo v heterogeni mešanici medlo in svetlo fluorescenčnih kroglic natančno identificiral in naštel vsako podpopulacijo. To poudarja robustnost sistema pri analizi kompleksnih bioloških vzorcev, ki vsebujejo različne vrste celic.
Da bi predstavili uporabnost platforme za biološko pomembno aplikacijo, je ekipa izvedla test v živih celicah, ki je raziskoval površinsko izražanje proteinov glavnega histokompatibilnega kompleksa (MHC) na imunskih celicah. Molekule MHC so ključni regulatorji imunskih odzivov proti patogenom in nenormalnim celicam, zaradi česar so njihove stopnje izražanja dragoceni biomarkerji. Z izkoriščanjem fluorescentno označenih protiteles je OptiDrop omogočil hkratno odkrivanje proteinov MHC razreda I in II na posameznih celicah, inkapsuliranih v kapljicah. Stimulacija celic z interferonom gama, imunostimulacijskim citokinom, je izzvala pričakovano povečano ekspresijo MHC, ki jo je občutljivo kvantificirala platforma OptiDrop.
Razvoj OptiDrop pomeni pomemben korak k demokratizaciji vrhunskih zmožnosti enocelične analize. S premagovanjem ovir glede stroškov in kompleksnosti, ki so ovirale sprejetje mikrofluidike kapljic, ta inovativna platforma prinaša zmogljiva orodja za celično zasliševanje v doseg širšemu krogu raziskovalcev in klinikov. Zaradi svoje cenovne dostopnosti, prijaznosti do uporabnika in robustnosti je zelo primeren za rutinsko uporabo v biomedicinskih raziskovalnih laboratorijih in diagnostičnih okoljih na točkah oskrbe.
Možnosti uporabe OptiDropa so velike in daljnosežne. Na področju spremljanja bolezni bi lahko omogočil ultrasenzibilno odkrivanje redkih biomarkerjev, kar bi olajšalo neinvazivno zgodnjo diagnozo in oceno odziva na zdravljenje. Integracija z delovnimi tokovi enoceličnega zaporedja lahko omogoči neposredno korelacijo vizualnih fenotipov s profili izražanja genov, kar ponuja celovitejše razumevanje celičnih stanj. Poleg tega je platforma zaradi zaprte zasnove in zmožnosti hitre obdelave kliničnih vzorcev še posebej privlačna za testiranje nalezljivih bolezni in druge časovno občutljive diagnostične aplikacije.
Čeprav OptiDrop predstavlja pomemben napredek, še vedno obstaja prostor za nadaljnjo optimizacijo in razširitev njegovih zmogljivosti. Povečanje prepustnosti z omogočanjem hitrejših pretokov kapljic in ustvarjanjem manjših kapljic bi lahko povečalo njegovo učinkovitost in razširljivost. Vključevanje funkcij aktivnega razvrščanja bi uporabnikom omogočilo, da izolirajo specifične subpopulacije, ki jih zanimajo, na podlagi njihovih optičnih podpisov, kar bi omogočilo nadaljnje molekularne analize. Poleg tega bo razvoj standardiziranih dizajnov kartuš in intuitivnih programskih vmesnikov ključnega pomena za racionalizacijo njenega delovanja in interpretacije podatkov.
Ker naše razumevanje bioloških sistemov postaja vse bolj niansirano, bodo orodja, kot je OptiDrop, ki brezhibno integrirajo mikrofluidiko, optiko in elektroniko, nepogrešljiva za razkrivanje njihovih zapletenosti. Z zagotavljanjem dostopne in vsestranske platforme za visoko zmogljivo enocelično analizo OptiDrop opremlja raziskovalce in klinike z zmogljivim orodjem za postavljanje novih vprašanj, izzivanje obstoječih paradigem in prevajanje prelomnih odkritij v pomembne vplive v resničnem svetu.
– Michael je avtor treh knjig Royal Society of Chemistry:
Nano-družba: potiskanje meja tehnologije,
Nanotehnologija: Prihodnost je drobnain
Nanoinženiring: Spretnosti in orodja, zaradi katerih je tehnologija nevidna
Copyright ©
Nanowerk LLC
Postanite avtor Spotlight gosta! Pridružite se naši veliki in rastoči skupini gostujoči sodelavci. Ste pravkar objavili znanstveni članek ali imate kakšen zanimiv razvoj, ki bi ga delili z nanotehnološko skupnostjo? Tukaj je opis, kako objaviti na nanowerk.com.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64952.php
