Static Droplet Array (SDA) ist ein notwendiges und integrales Werkzeug, wenn es um leistungsstarke Screening-Tests oder Assays zur Identifizierung und gezielten Bestimmung spezifischer Zellen oder Analyten (Substanzen, deren chemische Zusammensetzung das Ziel der Identifizierung ist) geht. Allerdings bleibt die Extraktion und Sammlung der Zieltröpfchen, die einzigartige Analyten oder Zellen aus der SDA enthalten, ein großer technischer Engpass, der ihre breitere Anwendung einschränkt.
Durch die Integration von Lasertechnologie und einer Indiumzinnoxidschicht (ITO) in einen Tröpfchen-Mikrofluidik-Chip gelang es Forschern des Single-Cell Center im Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und ihren Mitarbeitern entwickelte ein neues System, die optische On-Demand-Tröpfchenfreisetzung (OODR).
Das OODR-System ermöglicht eine benutzerfreundlichere Methode für Screening-Assays, die auch die Menge der benötigten Proben und Reagenzien reduziert, ohne die Effizienz, Zelllebensfähigkeit oder Analysegenauigkeit zu beeinträchtigen. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Biosensoren und Bioelektronik.
„OODR funktioniert durch präzises Erhitzen der ITO-Schicht mit einem Laser, um Mikroblasen zu erzeugen, die das selektive Drücken eines Zieltröpfchens aus der Kammer auf dem Mikrofluidik-Chip basierend auf dem Mikrotröpfchen-Einzelzellen-Sortiersystem wie EasySort Compact ermöglichen“, sagte Dr . Diao Zhidian, Erstautor der Studie. E. coli- und Hefezellen wurden erfolgreich eingesetzt, was darauf hindeutet, dass das OODR-System vielfältig auf andere Zellen anwendbar ist.
Die Größe der Mikroblase erwies sich aufgrund des von den Forschern verwendeten Chipdesigns als entscheidend für die erfolgreiche Freisetzung des Tröpfchens. Durch Feineinstellung der richtigen Größe der Mikroblase (40 μm) und Einstellung der Laserintensität im richtigen Bereich, um die zur Bildung der Blase erforderliche Wärme zu erzeugen, ohne die Integrität der Zelle zu beeinträchtigen, wurden die gewünschten Ergebnisse erzielt und das Tröpfchen wurde darin freigesetzt unter geeigneten Bedingungen nur drei Sekunden.
Das mithilfe von Weiß- oder Fluoreszenzbildgebung identifizierte Tröpfchen wird dann bequem „verpackt“ und durch Kapillarkraft in einem „Ein-Tröpfchen-ein-Röhrchen“-Verfahren (ODOT) exportiert, was die Bewegung der Flüssigkeit ohne äußere Krafteinwirkung ermöglicht zur weiteren Analyse im Hochdurchsatzverfahren in ein Bohrloch oder Rohr geleitet. Die bereitgestellten Bilder sind hilfreich bei der Sortierung der Morphologie der Zielbakterien, was ohne ein leicht verfügbares statisches Bild nur schwer möglich ist.
OODR hilft nicht nur bei der Verpackung und Freisetzung eines Zieltröpfchens in SDA, sondern scheint auch die Kultivierungsfähigkeit der Zelle nicht zu beeinträchtigen, was wichtig ist, wenn weitere Analysen lebender Zellen erforderlich sind. In Kombination mit der geringeren Menge an benötigten Reagenzien und der kleineren Probengröße für die Analyse bedeutet dies, dass die Methode kosteneffizienter ist als die anderen verfügbaren Methoden.
Der Erfolg des OODR-Systems ermöglicht eine Erweiterung und Verbesserung des SDA-Tools, indem es die Einzelzellanalyse verbessert und die Technik effizienter und kostengünstiger macht.
„Unser oberstes Ziel ist der Aufbau eines automatisierten und effizienten OODR-Systems zur Erweiterung der Anwendung von SDA in verschiedenen Bereichen“, sagte Dr. Wang Xixian, Co-Erstautor der Studie.
„Wir haben den EasySort Compact erfolgreich zur automatischen Einzelzellensortierung eingesetzt“, sagte der korrespondierende Autor, Prof. MA Bo vom Single-Cell Center. „Dieses neu entwickelte OODR-System hat die Sortierfähigkeit von der Ebene einzelner Zellen auf die Ebene einzelner Mikrotröpfchen erweitert. Es zielt nicht nur auf einzelne Zellen ab, sondern ermöglicht auch die Sortierung von Mikrotröpfchen, die eine Zelle, mehrere Zellen oder sogar nur Reagenzien enthalten.“
Derzeit nutzen sie KI und maschinelles Lernen, um über das EasySort-Instrument ein automatisiertes System zu erstellen, um die menschliche Beteiligung so weit wie möglich zu reduzieren, sagte ein anderer korrespondierender Autor, Prof. Xu Jian, der Leiter des Single-Cell Center. Die Automatisierung würde im Idealfall auch die Nutzung für Laien erleichtern und so den Einsatzbereich der OODR-Technologie weiter ausbauen.
Mehr Informationen:
Zhidian Diao et al., Mikrobläschen auf optischer Basis für die bedarfsgesteuerte Tröpfchenfreisetzung aus einem statischen Tröpfchenarray (SDA) zur Abgabe eines Tröpfchens in ein Röhrchen, Biosensoren und Bioelektronik (2023). DOI: 10.1016/j.bios.2023.115639