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微流控專題 | 單細胞封裝技術全解析：從原理到應用的前沿探索

來源：廣州虹科電子科技有限公司   2025年06月21日 09:10   3
為了從單細胞實驗中獲得有意義的生物數(shù)據(jù)，需要對大量單個細胞進行分析。這可以通過使用基于壓力驅(qū)動流控的液滴微流控技術來實現(xiàn)。本應用說明中描述的微流體平臺用于生成皮升大小的微液滴，以單細胞水平封裝 HeLa 細胞以供進一步分析。此過程稱為單細胞封裝（single cell encapsulation）。所使用的細胞懸液濃度需遵循泊松分布（Poisson law），以確保實驗過程中穩(wěn)定的細胞封裝。本方案可適用于封裝不同類型的細胞，并能夠生成不同尺寸的液滴。

應用

  • 腫瘤學（解析由少量細胞亞群攜帶的突變）
  • 免疫學（區(qū)分不同類型的免疫細胞或表征稀有免疫細胞群）
  • 學（構建詳細的單細胞圖譜，以識別和理解不同類型的神經(jīng)元及其在大腦中的連接分子）
  • 發(fā)育生物學（基于單細胞水平描繪胚胎的整個發(fā)育過程）
  • 單細胞組學（揭示組織樣本的細胞異質(zhì)性）
  • 以及更多可能的應用

單細胞封裝設置

流量控制器 OB1 Mk3+
流量傳感器
管道、配件和儲液器
microfluidic ChipShop Gmbh 生產(chǎn)的 Fluidic 947 或 Fluidic 440 芯片
管道、配件和儲液器
微流控解決方案

硬件

  • OB1 流量控制器，至少帶有兩個 0–2000 mbar通道
  • 1 x 流量傳感器 MFS 2D 0.4–7 µL/min，用于油溶液
  • 1 x 流量傳感器 MFS 3D 4,2–80 µL/min，用于細胞懸浮液
  • 1 套魯爾鎖入門包
  • 2 x 15 mL falcon儲液器
  • 帶疏水通道的微流控芯片
  • 用于觀察的顯微鏡
  • 用于成像的高速攝像機（可選）

化學品

  • HF5-7500 + 1 % FluoSurf 表面活性劑（法國 Emulseo）
  • Aquapel（德國 Autoserv）用于疏水處理（可選）

芯片設計

所使用的微流控芯片采用流體聚焦結構，其材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷（PDMS）。微流控通道經(jīng)過 Aquapel 處理，使通道表面呈疏水性。

根據(jù)所需液滴尺寸，可選用不同的商用芯片，以實現(xiàn)相同的實驗目標：

  • 液滴尺寸在 [10~30] µm 之間：Microfluidic ChipShop（Fluidic 947–液滴發(fā)生器芯片）
  • 液滴尺寸在 [50~80] µm 之間：Microfluidic ChipShop（Fluidic 440–液滴發(fā)生器芯片）
  • 液滴尺寸在 [20~50] µm 之間：液滴基因組學

單細胞封裝快速入門指南

儀器連接

  • 使用氣動管路將 OB1 壓力控制器連接至外部氣源，并使用 USB 數(shù)據(jù)線連接至計算機。有關 OB1 壓力控制器的詳細設置說明，請參考 《OB1 用戶指南》。
  • 將流量傳感器連接到 OB1。
  • 按下電源開關，啟動OB1。
  • 啟動 Elveflow 軟件。Elveflow Smart Interface（ESI）的主要功能和選項詳見 《ESI 用戶指南》，請參考該指南獲取詳細說明。
  • 在軟件中點擊 “添加儀器” / 選擇 OB1/ 設置為 MK3+，如有需要，可設置壓力通道，給儀器命名后點擊 “OK” 以保存更改。此時，OB1 應已列入識別設備列表。
  • 使用 OB1 需進行校準，請參考 《OB1 用戶指南》 進行操作。
  • 添加 流量傳感器：點擊 “添加傳感器” / 選擇 流量傳感器/ 選擇 模擬或數(shù)字（若選擇模擬傳感器，請設置流量工作范圍），為傳感器命名，選擇連接的設備及通道，并點擊 “OK” 保存更改。此時，流量傳感器應已列入識別設備列表。詳細操作請參考 《MFS 用戶指南》。
  • 打開 OB1 控制窗口。

溶液制備

  • 準備油相溶液儲液瓶：向儲液瓶中加入 HFE-7500 + 1% FluoSurf 表面活性劑，并連接隨附的 1/16英寸外徑（OD）管路 和 4mm 外徑（OD）螺旋管。更多細節(jié)請參考視頻 《OB1 連接器使用指南》。
  • 重復步驟 1，用于本實驗所需的 HeLa 細胞懸液水相溶液。

提示：根據(jù)泊松分布，并結合特定的液滴體積，精確計算并制備 HeLa 細胞懸液的濃 度[1]。建議使用較低的細胞濃度，以減少包含兩個或以上細胞的液滴數(shù)量。推薦的λ 值范圍為 0.05 至 0.1（當λ= 0.05 時，盡管僅有 5% 的液滴會包含細胞，但其中 98% 僅封裝單個細胞）。

  • 可選項：如需收集并重新注入液滴乳液，可準備一個收集瓶，其中預先加入 HFE-7500 + 1% FluoSurf 表面活性劑，以確保液滴在收集后仍處于穩(wěn)定環(huán)境中。
  • 如有需要，可對微流控芯片進行疏水處理，例如使用 Aquapel（Autoserv，德國）進行表面改性。

提示：Aquapel 遇空氣后會發(fā)生結晶，的芯片處理方法如下：
(i) 用氬氣沖洗芯片；
(ii) 注入Aquapel進行表面處理；
(iii) 再次用氬氣沖洗芯片；
(iv) 最后用HFE-7500油相進行潤洗。

單細胞封裝

  • 流量測量：在微流控儲液瓶與芯片之間連接流量傳感器。詳細操作請參考 《MFS 用戶指南》
  • 油相預充填：將油相溶液的壓力設置為低壓（例如 50 mbar），直至溶液從管路末端滴出，然后將管路連接至對應的入口，確保微流控芯片充滿油相。
  • 對細胞懸浮液重復步驟2。

提示：為防止實驗過程中細胞沉降，可對 Falcon 管 施加 輕微攪拌 或 渦旋振蕩。 具體方式可根據(jù)細胞類型和實驗時長選擇合適的選項。

  • 施加壓力與流速：
  • 油相溶液：施加 300 mbar壓力或設定 45 µL/min 流速。
  • 細胞懸液：施加 220 mbar壓力或設定 10 µL/min 流速。
  • 以上參數(shù)可用于制備約 50 µm 直徑的液滴。

提示：步驟 4 中提供的參數(shù)可適當提高，以增加液滴的生成頻率，但需保持流速比恒 定。

  • 收集乳液：在出口處使用收集瓶采集乳液，以便進行后續(xù)實驗。

提示：確保出口端浸沒在含有油相和表面活性劑的溶液中，以維持液滴存儲的穩(wěn)定環(huán)境。

單細胞分析

在本應用說明中，細胞溶液（1.375 × 10? cells/mL）按照泊松分布（λ= 0.096） 進行封裝，所生成的液滴平均直徑為 51.2±1.2 µm，變異系數(shù)（CV）為 2.4%。

生成的液滴，平均直徑為 51.2 ± 1.2 µm。其中可見 四個分別封裝單個細胞的液滴。

Droplet diameter

0 cell per droplet

1 cell per droplet

≥2 cells per droplet

Theory

50 µm

91.4 %

8.2 %

0.4 %

Experimentally

51.2±1.2 µm

90.9 %

8.7 %

0.4 %

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