02/2024/XNUMX (Tiêu điểm Nanowerk) vi lỏng, công nghệ kiểm soát chất lỏng chính xác ở quy mô dưới milimet, từ lâu đã hứa hẹn mang lại cuộc cách mạng trong nghiên cứu sinh học và chẩn đoán y tế. Bằng cách thu nhỏ các xét nghiệm thành những giọt nước trong dầu cực nhỏ, các nền tảng này có thể phân tích từng tế bào riêng lẻ với tốc độ và hiệu quả chưa từng có đồng thời giảm đáng kể chi phí thuốc thử. Mỗi giọt có kích thước picoliter đóng vai trò như một lò phản ứng vi mô biệt lập, cho phép nghiên cứu thông lượng cao về hoạt động của tế bào và cho phép áp dụng đa dạng từ sàng lọc thuốc đến phân tích tế bào hiếm. Tuy nhiên, việc giải phóng toàn bộ tiềm năng của vi lỏng dạng giọt đã bị cản trở bởi thách thức phân tích nhanh chóng và toàn diện nội dung của các ngăn cực nhỏ này. Các phương pháp tiếp cận thông thường dựa vào thiết lập kính hiển vi phức tạp và đắt tiền, sử dụng camera tốc độ cao để ghi lại hình ảnh từng giọt khi nó chảy qua thiết bị. Sự phức tạp về mặt kỹ thuật và chi phí cao liên quan đến các hệ thống như vậy đã hạn chế việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật dựa trên giọt nước trong nghiên cứu và môi trường lâm sàng. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học đa ngành đã phát triển OptiDrop, một thiết bị cải tiến có thể khắc phục những hạn chế này một cách khéo léo bằng cách tích hợp sợi quang trực tiếp vào chip vi lỏng. Cách tiếp cận mới này cho phép phát hiện nhiều thông số quang học từ từng giọt riêng lẻ và thành phần của chúng mà không cần dựa vào kính hiển vi hoặc máy ảnh. Kết quả được báo cáo trên tạp chí Microsystems & Nanoengineering (“Phát hiện huỳnh quang và tán xạ đa kênh với độ phân giải tế bào đơn sử dụng sợi quang trên chip cho các ứng dụng vi lỏng nhỏ giọt”), là một nền tảng thu nhỏ, giá cả phải chăng và thân thiện với người dùng, mang sức mạnh của phân tích ô đơn đa thông số sang định dạng để bàn.
a Nền tảng OptiDrop bao gồm một chip vi lỏng có đầu vào dầu và nước để hình thành các giọt tại điểm nối tập trung dòng chảy. Pha nước được gói gọn trong các giọt và sau đó chảy qua vị trí thẩm vấn quang học (hình nhỏ) được bao quanh bởi một tập hợp các rãnh sợi quang được bố trí xung quanh kênh trung tâm. Các rãnh trên chip được sử dụng để chứa các sợi quang ở các vị trí góc đã định, cho phép chiếu sáng giọt hiệu quả bằng ánh sáng laser tới và thu thập ánh sáng tán xạ và tín hiệu huỳnh quang khi giọt đi qua chùm ánh sáng. Đầu ra sợi quang được ghép vào PMT để phát hiện. Số xung TTL từ mỗi PMT được tích hợp bởi một chip FPGA với bộ đếm xung và được biểu thị dưới dạng dữ liệu cực đại cường độ tín hiệu thô. Dữ liệu thô có thể được phân tích sâu hơn để xác định hoặc đo cường độ huỳnh quang từ các tế bào quan tâm. b Bộ phận lắp ráp để bàn có thước đo chân để đo tỷ lệ cùng với màn hình xem luồng dữ liệu trực tiếp và máy bơm ống tiêm. (Hình ảnh: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) Sự đổi mới cốt lõi của OptiDrop nằm ở vị trí chiến lược của các sợi quang xung quanh kênh vi lỏng. Khi mỗi giọt đi qua điểm thẩm vấn, tia laser sẽ chiếu sáng nó, tạo ra tín hiệu tán xạ và huỳnh quang. Các tín hiệu quang học này được thu thập một cách hiệu quả bằng các sợi đặt ở góc 45° và sau đó được định tuyến đến các máy dò riêng biệt. Các thiết bị điện tử được chế tạo tùy chỉnh sẽ số hóa các tín hiệu theo thời gian thực, cho phép hiển thị và phân tích tức thời cấu hình quang học của từng giọt.
Để xác nhận hiệu suất của OptiDrop, trước tiên các nhà nghiên cứu đã mô tả độ nhạy và dải động của nó bằng cách sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang tiêu chuẩn hóa. Thật ấn tượng, thiết bị có thể phát hiện nồng độ thuốc nhuộm thấp tới 1 nanoMole, cạnh tranh với giới hạn phát hiện mà các thiết bị thông thường đạt được trong khi chỉ cần một phần nhỏ thể tích mẫu. Hơn nữa, cường độ huỳnh quang được đo bằng OptiDrop được chia tỷ lệ tuyến tính trên một phạm vi nồng độ rộng, đảm bảo định lượng chính xác và đáng tin cậy.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng phân tích hạt của OptiDrop bằng cách sử dụng các vi hạt có kích thước và cường độ huỳnh quang khác nhau làm mô phỏng tế bào. Nền tảng này dễ dàng phân biệt giữa các hạt dựa trên cả kích thước vật lý và tính chất quang học của chúng. Đáng chú ý, ngay cả trong hỗn hợp không đồng nhất của các hạt huỳnh quang mờ và sáng, OptiDrop đã xác định và liệt kê chính xác từng quần thể con. Điều này nêu bật tính mạnh mẽ của hệ thống trong việc phân tích các mẫu sinh học phức tạp chứa nhiều loại tế bào khác nhau.
Để giới thiệu tiện ích của nền tảng đối với một ứng dụng có liên quan đến sinh học, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xét nghiệm tế bào sống điều tra sự biểu hiện bề mặt của các protein phức hợp tương hợp mô học chính (MHC) trên các tế bào miễn dịch. Các phân tử MHC là yếu tố điều chỉnh quan trọng các phản ứng miễn dịch chống lại mầm bệnh và tế bào bất thường, làm cho mức độ biểu hiện của chúng trở thành dấu ấn sinh học có giá trị. Bằng cách tận dụng các kháng thể được đánh dấu huỳnh quang, OptiDrop cho phép phát hiện đồng thời cả protein MHC loại I và II trên từng tế bào được gói gọn trong các giọt. Sự kích thích các tế bào bằng interferon-gamma, một cytokine kích thích miễn dịch, đã tạo ra sự điều hòa tăng biểu hiện MHC như dự đoán, được định lượng một cách nhạy bén bằng nền tảng OptiDrop.
Sự phát triển của OptiDrop đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới việc dân chủ hóa các khả năng phân tích tế bào đơn tiên tiến. Bằng cách vượt qua các rào cản về chi phí và độ phức tạp đã cản trở việc áp dụng vi lỏng dạng giọt, nền tảng cải tiến này mang đến các công cụ thẩm vấn tế bào mạnh mẽ trong tầm tay của nhiều nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng. Giá cả phải chăng, tính thân thiện với người dùng và độ bền cao khiến nó rất phù hợp để triển khai thường xuyên trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu y sinh và cơ sở chẩn đoán tại điểm chăm sóc.
Các ứng dụng tiềm năng của OptiDrop rất rộng lớn và sâu rộng. Trong lĩnh vực theo dõi bệnh tật, nó có thể cho phép phát hiện siêu âm các dấu ấn sinh học hiếm gặp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chẩn đoán sớm và đánh giá đáp ứng điều trị mà không xâm lấn. Việc tích hợp với quy trình giải trình tự tế bào đơn có thể cho phép tương quan trực tiếp giữa kiểu hình thị giác với cấu hình biểu hiện gen, mang lại sự hiểu biết toàn diện hơn về trạng thái tế bào. Hơn nữa, thiết kế khép kín và khả năng xử lý nhanh chóng các mẫu bệnh phẩm của nền tảng khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với xét nghiệm bệnh truyền nhiễm và các ứng dụng chẩn đoán nhạy cảm với thời gian khác.
Mặc dù OptiDrop thể hiện một bước tiến đáng kể nhưng vẫn còn chỗ để tối ưu hóa và mở rộng hơn nữa các khả năng của nó. Việc tăng thông lượng bằng cách cho phép tốc độ dòng giọt nhanh hơn và tạo ra các giọt nhỏ hơn có thể nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của nó. Việc tích hợp các chức năng phân loại tích cực sẽ trao quyền cho người dùng cách ly các quần thể quan tâm cụ thể dựa trên chữ ký quang học của họ, cho phép phân tích phân tử xuôi dòng. Hơn nữa, việc phát triển các thiết kế hộp mực được tiêu chuẩn hóa và giao diện phần mềm trực quan sẽ rất quan trọng để hợp lý hóa hoạt động và giải thích dữ liệu của nó.
Khi sự hiểu biết của chúng ta về các hệ thống sinh học ngày càng trở nên đa sắc thái, các công cụ như OptiDrop tích hợp liền mạch vi lỏng, quang học và điện tử sẽ không thể thiếu để làm sáng tỏ những phức tạp của chúng. Bằng cách cung cấp nền tảng linh hoạt và dễ tiếp cận để phân tích đơn bào hiệu suất cao, OptiDrop trang bị cho các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng một công cụ mạnh mẽ để đặt câu hỏi mới, thách thức các mô hình hiện có và biến những khám phá đột phá thành những tác động có ý nghĩa trong thế giới thực.
a Nền tảng OptiDrop bao gồm một chip vi lỏng có đầu vào dầu và nước để hình thành các giọt tại điểm nối tập trung dòng chảy. Pha nước được gói gọn trong các giọt và sau đó chảy qua vị trí thẩm vấn quang học (hình nhỏ) được bao quanh bởi một tập hợp các rãnh sợi quang được bố trí xung quanh kênh trung tâm. Các rãnh trên chip được sử dụng để chứa các sợi quang ở các vị trí góc đã định, cho phép chiếu sáng giọt hiệu quả bằng ánh sáng laser tới và thu thập ánh sáng tán xạ và tín hiệu huỳnh quang khi giọt đi qua chùm ánh sáng. Đầu ra sợi quang được ghép vào PMT để phát hiện. Số xung TTL từ mỗi PMT được tích hợp bởi một chip FPGA với bộ đếm xung và được biểu thị dưới dạng dữ liệu cực đại cường độ tín hiệu thô. Dữ liệu thô có thể được phân tích sâu hơn để xác định hoặc đo cường độ huỳnh quang từ các tế bào quan tâm. b Bộ phận lắp ráp để bàn có thước đo chân để đo tỷ lệ cùng với màn hình xem luồng dữ liệu trực tiếp và máy bơm ống tiêm. (Hình ảnh: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) Sự đổi mới cốt lõi của OptiDrop nằm ở vị trí chiến lược của các sợi quang xung quanh kênh vi lỏng. Khi mỗi giọt đi qua điểm thẩm vấn, tia laser sẽ chiếu sáng nó, tạo ra tín hiệu tán xạ và huỳnh quang. Các tín hiệu quang học này được thu thập một cách hiệu quả bằng các sợi đặt ở góc 45° và sau đó được định tuyến đến các máy dò riêng biệt. Các thiết bị điện tử được chế tạo tùy chỉnh sẽ số hóa các tín hiệu theo thời gian thực, cho phép hiển thị và phân tích tức thời cấu hình quang học của từng giọt.
Để xác nhận hiệu suất của OptiDrop, trước tiên các nhà nghiên cứu đã mô tả độ nhạy và dải động của nó bằng cách sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang tiêu chuẩn hóa. Thật ấn tượng, thiết bị có thể phát hiện nồng độ thuốc nhuộm thấp tới 1 nanoMole, cạnh tranh với giới hạn phát hiện mà các thiết bị thông thường đạt được trong khi chỉ cần một phần nhỏ thể tích mẫu. Hơn nữa, cường độ huỳnh quang được đo bằng OptiDrop được chia tỷ lệ tuyến tính trên một phạm vi nồng độ rộng, đảm bảo định lượng chính xác và đáng tin cậy.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng phân tích hạt của OptiDrop bằng cách sử dụng các vi hạt có kích thước và cường độ huỳnh quang khác nhau làm mô phỏng tế bào. Nền tảng này dễ dàng phân biệt giữa các hạt dựa trên cả kích thước vật lý và tính chất quang học của chúng. Đáng chú ý, ngay cả trong hỗn hợp không đồng nhất của các hạt huỳnh quang mờ và sáng, OptiDrop đã xác định và liệt kê chính xác từng quần thể con. Điều này nêu bật tính mạnh mẽ của hệ thống trong việc phân tích các mẫu sinh học phức tạp chứa nhiều loại tế bào khác nhau.
Để giới thiệu tiện ích của nền tảng đối với một ứng dụng có liên quan đến sinh học, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xét nghiệm tế bào sống điều tra sự biểu hiện bề mặt của các protein phức hợp tương hợp mô học chính (MHC) trên các tế bào miễn dịch. Các phân tử MHC là yếu tố điều chỉnh quan trọng các phản ứng miễn dịch chống lại mầm bệnh và tế bào bất thường, làm cho mức độ biểu hiện của chúng trở thành dấu ấn sinh học có giá trị. Bằng cách tận dụng các kháng thể được đánh dấu huỳnh quang, OptiDrop cho phép phát hiện đồng thời cả protein MHC loại I và II trên từng tế bào được gói gọn trong các giọt. Sự kích thích các tế bào bằng interferon-gamma, một cytokine kích thích miễn dịch, đã tạo ra sự điều hòa tăng biểu hiện MHC như dự đoán, được định lượng một cách nhạy bén bằng nền tảng OptiDrop.
Sự phát triển của OptiDrop đánh dấu một bước tiến đáng kể hướng tới việc dân chủ hóa các khả năng phân tích tế bào đơn tiên tiến. Bằng cách vượt qua các rào cản về chi phí và độ phức tạp đã cản trở việc áp dụng vi lỏng dạng giọt, nền tảng cải tiến này mang đến các công cụ thẩm vấn tế bào mạnh mẽ trong tầm tay của nhiều nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng. Giá cả phải chăng, tính thân thiện với người dùng và độ bền cao khiến nó rất phù hợp để triển khai thường xuyên trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu y sinh và cơ sở chẩn đoán tại điểm chăm sóc.
Các ứng dụng tiềm năng của OptiDrop rất rộng lớn và sâu rộng. Trong lĩnh vực theo dõi bệnh tật, nó có thể cho phép phát hiện siêu âm các dấu ấn sinh học hiếm gặp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chẩn đoán sớm và đánh giá đáp ứng điều trị mà không xâm lấn. Việc tích hợp với quy trình giải trình tự tế bào đơn có thể cho phép tương quan trực tiếp giữa kiểu hình thị giác với cấu hình biểu hiện gen, mang lại sự hiểu biết toàn diện hơn về trạng thái tế bào. Hơn nữa, thiết kế khép kín và khả năng xử lý nhanh chóng các mẫu bệnh phẩm của nền tảng khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với xét nghiệm bệnh truyền nhiễm và các ứng dụng chẩn đoán nhạy cảm với thời gian khác.
Mặc dù OptiDrop thể hiện một bước tiến đáng kể nhưng vẫn còn chỗ để tối ưu hóa và mở rộng hơn nữa các khả năng của nó. Việc tăng thông lượng bằng cách cho phép tốc độ dòng giọt nhanh hơn và tạo ra các giọt nhỏ hơn có thể nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của nó. Việc tích hợp các chức năng phân loại tích cực sẽ trao quyền cho người dùng cách ly các quần thể quan tâm cụ thể dựa trên chữ ký quang học của họ, cho phép phân tích phân tử xuôi dòng. Hơn nữa, việc phát triển các thiết kế hộp mực được tiêu chuẩn hóa và giao diện phần mềm trực quan sẽ rất quan trọng để hợp lý hóa hoạt động và giải thích dữ liệu của nó.
Khi sự hiểu biết của chúng ta về các hệ thống sinh học ngày càng trở nên đa sắc thái, các công cụ như OptiDrop tích hợp liền mạch vi lỏng, quang học và điện tử sẽ không thể thiếu để làm sáng tỏ những phức tạp của chúng. Bằng cách cung cấp nền tảng linh hoạt và dễ tiếp cận để phân tích đơn bào hiệu suất cao, OptiDrop trang bị cho các nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng một công cụ mạnh mẽ để đặt câu hỏi mới, thách thức các mô hình hiện có và biến những khám phá đột phá thành những tác động có ý nghĩa trong thế giới thực.
– Michael là tác giả của ba cuốn sách của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia:
Xã hội Nano: Đẩy mạnh ranh giới của công nghệ,
Công nghệ nano: Tương lai nhỏ bévà
Nanoengineering: Các kỹ năng và công cụ làm cho công nghệ vô hình
Bản quyền ©
Công Ty TNHH Nanowerk
Trở thành tác giả khách mời của Spotlight! Tham gia nhóm lớn và đang phát triển của chúng tôi những người đóng góp cho khách. Bạn vừa xuất bản một bài báo khoa học hoặc có những phát triển thú vị khác để chia sẻ với cộng đồng công nghệ nano? Đây là cách xuất bản trên nanowerk.com.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64952.php
