Tröpfchenmikrofluidik ermöglicht schnellere Point-of-Care-Tests (POCT), ist jedoch nicht immer so genau und erfordert derzeit einen hohen externen Aufwand für die ordnungsgemäße Handhabung.
Das von Forschern des Single-Cell Center am Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) entwickelte Integrated Portable Droplets System (iPODs) basiert auf einem Tröpfchen-Reinjektionschip mit automatischer Flussfokussierung Dadurch werden externe Pumpen und eine präzise Flüssigkeitssteuerung überflüssig, was Tragbarkeit, niedrigere Kosten und eine benutzerfreundliche Methode zur Tröpfchenanalyse ermöglicht.
Die Studie wurde veröffentlicht in Analytische Chemie am 13.04.
Die Forscher stellten vielversprechende Ergebnisse fest: Der automatisierte Stil, bei dem die Tröpfchen durch das Instrument geleitet werden, reduziert die Notwendigkeit einer manuellen Bedienung, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Fehlern, Kreuzkontamination und Probenverlust verringert wird.
Sie fanden auch eine starke Linearität von Proben, die zwischen 101 und 104 Bakterienkopien pro Mikroliter mit einem R2-Wert von 0,999 gemessen wurden. Je näher ein R2-Wert an 1 liegt, desto besser kann die Linie visuell darstellen, wie gut das iPODs-Gerät (die unabhängige Variable) die in der Probe vorhandenen Bakterienarten (die abhängige Variable) erkennen und quantifizieren kann.
Außerdem sind die Gerätekosten und Folgekosten jeder Verwendung angemessen genug, um in großem Umfang erschwinglich zu sein. Ein weiterer einzigartiger und wichtiger Aspekt des Geräts ist seine Tragbarkeit, die es ermöglicht, das Gerät in einer breiteren Umgebung zu verwenden, beispielsweise im Freien oder in dezentralisierten Labors.
„In früheren Berichten erfordert die erneute Tröpfcheninjektion zweifellos eine präzise Flüssigkeitskontrolle, wodurch die Tragbarkeit des Geräts verringert und die Entwicklung tröpfchenbasierter Nukleinsäure-Amplifikationstests für POCT eingeschränkt wird“, sagte Liu Fengyi, Doktorand und Erstautor von die Studium. „Hier haben wir gezeigt, dass dieser Tröpfchen-Reinjektions-Chip den experimentellen Aufbau und das Betriebsverfahren bei niedrigen Gerätekosten und geringem Reagenzienverbrauch erheblich vereinfacht.“
Tröpfchenmikrofluidische Tests bestehen aus der Entnahme einer kleinen Menge Flüssigkeit zum Testen, was häufig eine Zellmanipulation und Einzelzell- oder Einzelmolekülanalyse beinhaltet. Ein Problem, das iPODs ansprechen, sind die relativ niedrigen quantitativen Nachweisniveaus der schleifenvermittelten isothermischen Amplifikation (LAMP), wenn sie in großen Mengen durchgeführt werden, was nur ein „Alles-oder-Nichts“-Ergebnis ergibt.
Droplet Digital LAMP mit iPODs macht es hochempfindlich und genau bei der Bestimmung der in der Probe vorhandenen Nukleinsäuremengen. Der Nachteil dabei ist die Notwendigkeit einer präzisen Flüssigkeitssteuerung und externer Pumpen, die alle die Tragbarkeit verringern und die Kosten erhöhen. „Wir stellen ein Tröpfchen-Reinjektionsverfahren vor, das eine Tröpfchenverteilung ohne präzise Flüssigkeitssteuerung und externe Pumpen ermöglicht, mit dem die Tröpfchen in Intervallen passiv ausgerichtet und einzeln erfasst werden können“, sagte Ge Anle, beitragender Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter.
Bei Verwendung von iPODs werden die externe Pumpe und die Notwendigkeit einer präzisen Flüssigkeitssteuerung durch die Integration des Tröpfchengenerators, des Heizwerkzeugs und des Fluoreszenzsignallesers, die alle in einer kleinen, einziehbaren Box verpackt sind, eliminiert.
Damit diese Technologie ihr volles Potenzial ausschöpfen kann, sind in Zukunft einige Anpassungen erforderlich, z. B. die Verbesserung der Stabilität des Systems und die Implantation von Thermocycling-Modulen für die Tröpfchen-Digital-PCR (ddPCR). Die weitere Implantation mit anderen billigen Chipmaterialien für eine große standardisierte Produktion sowie die Einführung vollautomatischer Betriebsprozesse werden das System benutzerfreundlicher machen.
„Sobald das Gerät vollständig entwickelt ist, hoffen wir, dass die Technologie in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommt, von biochemischen Tests auf Point-of-Care-Ebene bis hin zu einem eher auf klinischer Forschung basierenden Umfeld“, sagte der korrespondierende Autor Prof. Ma Bo vom Single-Cell Center.
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Fengyi Liu et al, Auto Flow-Focusing Droplet Reinjection Chip-based Integrated Portable Droplet System (iPODs), Analytische Chemie (2023). DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00239