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Method Article
細胞と粒子の慣性順序を持つ単分散ドロップ生成を組み合わせることで、我々は、kHzのレートで一滴の細胞または粒子の所望の数をカプセル化する方法を説明します。我々は、二回のシングルとダブルの粒子降下を順不同カプセルのものを超えて効率を示しています。
Microfluidic encapsulation methods have been previously utilized to capture cells in picoliter-scale aqueous, monodisperse drops, providing confinement from a bulk fluid environment with applications in high throughput screening, cytometry, and mass spectrometry. We describe a method to not only encapsulate single cells, but to repeatedly capture a set number of cells (here we demonstrate one- and two-cell encapsulation) to study both isolation and the interactions between cells in groups of controlled sizes. By combining drop generation techniques with cell and particle ordering, we demonstrate controlled encapsulation of cell-sized particles for efficient, continuous encapsulation. Using an aqueous particle suspension and immiscible fluorocarbon oil, we generate aqueous drops in oil with a flow focusing nozzle. The aqueous flow rate is sufficiently high to create ordering of particles which reach the nozzle at integer multiple frequencies of the drop generation frequency, encapsulating a controlled number of cells in each drop. For representative results, 9.9 μm polystyrene particles are used as cell surrogates. This study shows a single-particle encapsulation efficiency Pk=1 of 83.7% and a double-particle encapsulation efficiency Pk=2 of 79.5% as compared to their respective Poisson efficiencies of 39.3% and 33.3%, respectively. The effect of consistent cell and particle concentration is demonstrated to be of major importance for efficient encapsulation, and dripping to jetting transitions are also addressed.
Introduction
Continuous media aqueous cell suspensions share a common fluid environment which allows cells to interact in parallel and also homogenizes the effects of specific cells in measurements from the media. High-throughput encapsulation of cells into picoliter-scale drops confines the samples to protect drops from cross-contamination, enable a measure of cellular diversity within samples, prevent dilution of reagents and expressed biomarkers, and amplify signals from bioreactor products. Drops also provide the ability to re-merge drops into larger aqueous samples or with other drops for intercellular signaling studies.1,2 The reduction in dilution implies stronger detection signals for higher accuracy measurements as well as the ability to reduce potentially costly sample and reagent volumes.3 Encapsulation of cells in drops has been utilized to improve detection of protein expression,4 antibodies,5,6 enzymes,7 and metabolic activity8 for high throughput screening, and could be used to improve high throughput cytometry.9 Additional studies present applications in bio-electrospraying of cell containing drops for mass spectrometry10 and targeted surface cell coatings.11 Some applications, however, have been limited by the lack of ability to control the number of cells encapsulated in drops. Here we present a method of ordered encapsulation12 which increases the demonstrated encapsulation efficiencies for one and two cells and may be extrapolated for encapsulation of a larger number of cells.
To achieve monodisperse drop generation, microfluidic "flow focusing" enables the creation of controllable-size drops of one fluid (an aqueous cell mixture) within another (a continuous oil phase) by using a nozzle at which the streams converge.13 For a given nozzle geometry, the drop generation frequency f and drop size can be altered by adjusting oil and aqueous flow rates Qoil and Qaq. As the flow rates increase, the flows may transition from drop generation to unstable jetting of aqueous fluid from the nozzle.14
When the aqueous solution contains suspended particles, particles become encapsulated and isolated from one another at the nozzle. For drop generation using a randomly distributed aqueous cell suspension, the average fraction of drops Dk containing k cells is dictated by Poisson statistics, where Dk = λk exp(-λ)/(k!) and λ is the average number of cells per drop. The fraction of cells which end up in the "correctly" encapsulated drops is calculated using Pk = (k x Dk)/Σ(k' x Dk'). The subtle difference between the two metrics is that Dk relates to the utilization of aqueous fluid and the amount of drop sorting that must be completed following encapsulation, and Pk relates to the utilization of the cell sample. As an example, one could use a dilute cell suspension (low λ) to encapsulate drops where most drops containing cells would contain just one cell. While the efficiency metric Pk would be high, the majority of drops would be empty (low Dk), thus requiring a sorting mechanism to remove empty drops, also reducing throughput.15
Combining drop generation with inertial ordering provides the ability to encapsulate drops with more predictable numbers of cells per drop and higher throughputs than random encapsulation. Inertial focusing was first discovered by Segre and Silberberg16 and refers to the tendency of finite-sized particles to migrate to lateral equilibrium positions in channel flow. Inertial ordering refers to the tendency of the particles and cells to passively organize into equally spaced, staggered, constant velocity trains. Both focusing and ordering require sufficiently high flow rates (high Reynolds number) and particle sizes (high Particle Reynolds number).17,18 Here, the Reynolds number Re =uDh/ν and particle Reynolds number Rep =Re(a/Dh)2, where u is a characteristic flow velocity, Dh [=2wh/(w+h)] is the hydraulic diameter, ν is the kinematic viscosity, a is the particle diameter, w is the channel width, and h is the channel height. Empirically, the length required to achieve fully ordered trains decreases as Re and Rep increase. Note that the high Re and Rep requirements (for this study on the order of 5 and 0.5, respectively) may conflict with the need to keep aqueous flow rates low to avoid jetting at the drop generation nozzle. Additionally, high flow rates lead to higher shear stresses on cells, which are not addressed in this protocol. The previous ordered encapsulation study demonstrated that over 90% of singly encapsulated HL60 cells under similar flow conditions to those in this study maintained cell membrane integrity.12 However, the effect of the magnitude and time scales of shear stresses will need to be carefully considered when extrapolating to different cell types and flow parameters. The overlapping of the cell ordering, drop generation, and cell viability aqueous flow rate constraints provides an ideal operational regime for controlled encapsulation of single and multiple cells.
Because very few studies address inter-particle train spacing,19,20 determining the spacing is most easily done empirically and will depend on channel geometry, flow rate, particle size, and particle concentration. Nonetheless, the equal lateral spacing between trains implies that cells arrive at predictable, consistent time intervals. When drop generation occurs at the same rate at which ordered cells arrive at the nozzle, the cells become encapsulated within the drop in a controlled manner. This technique has been utilized to encapsulate single cells with throughputs on the order of 15 kHz,12 a significant improvement over previous studies reporting encapsulation rates on the order of 60-160 Hz.4,15 In the controlled encapsulation work, over 80% of drops contained one and only one cell, a significant efficiency improvement over Poisson (random) statistics, which predicts less than 40% efficiency on average.12
In previous controlled encapsulation work,12 the average number of particles per drop λ was tuned to provide single-cell encapsulation. We hypothesize that through tuning of flow rates, we can efficiently encapsulate any number of cells per drop when λ is equal or close to the number of desired cells per drop. While single-cell encapsulation is valuable in determining individual cell responses from stimuli, multiple-cell encapsulation provides information relating to the interaction of controlled numbers and types of cells. Here we present a protocol, representative results using polystyrene microspheres, and discussion for controlled encapsulation of multiple cells using a passive inertial ordering channel and drop generation nozzle.
このセクションのプロトコルは、提示した実験結果を得るために特に利用する材料と機器を説明します。化学薬品や機器のための代替サプライヤーを利用することができることに注意してください。
1。デバイスの作製とソフトリソグラフィ
標準のソフトリソグラフィ技術、21以前のJoveの記事で紹介されているその数、22はガラス基板に接着ポリジメチルシロキサン(PDMS)マイクロネットワークを作成するために使用されました。脇にSU-8フォトリソグラフィーにより、マスターレプリカモールドの作製から、プロセスはクリーンルームまたはクリーンフードの外で実行される可能性がありますが、ほこりや微粒子はまだ一貫性のある結果を達成するために最小限に抑える必要があります。
2。試料調製
3。実験のセットアップ
4。代表的な結果
結果は、制御された単一粒子および制御二重粒子カプセル化( 図3)の両方を達成するが提示されています。切断による半分にFC-40のオイル流量、単一粒子のカプセル化は、2つの粒子のカプセル化になります。逆に、我々はより迅速にノズルに粒子を提供する水性流量を増加しているかもしれませんが、我々はまた、水性流れの噴射の危険性を増加したことになります。 図3のヒストグラムは、ポアソン統計との比較とともに、2例のドロップ当たりの粒子の小数を提示します。ゼロの粒子と時折の滴が時々縦の二重焦点位置のいずれかに向かって移動するローカル高い粒子濃度と粒子から、所望の結果よりもカプセル化された粒子がある場合にあっている間、順序付けられた列車に "欠けている"粒子による主になります。第2節で説明したようにマッチング浮力を利用されていないことに注意してください。代わりに、シリンジポンプは、物理的に実行中の粒子の高濃度につながる、注射器の出口に向かって粒子の沈降できるように傾いていた。
適切な粒子と細胞濃度の必要性を示す実験的な実行は、 図4に示します。完全な順序付けずに、ローカライズされた粒子のためのグループとは、カプセル化されていますが、多くの滴が粒子を含まないです。ヒストグラムは、目的の2つの粒子のカプセル化のために減少したカプセル化効率を示しています。
図1。カプセル化装置。インレット、アウトレット、長期発注チャネルを持つ1)全体的なデバイス。デバイスの高さは52μmであると順序のチャネル幅は27μmである。 b)のどちらの水溶液とオイル注入口はオイル注入口の拡大図の順序のチャネル幅のオーダーのギャップを持つ大規模なデブリフィルタを備えています。 c)の拡大ノズルのビューは22μmと広い61μmのチャネルへの急拡大のノズルの収縮が続く水と油のチャンネルで27μmの同じチャネル幅を示しています。ここに示されているデバイスの寸法を微細加工した後にプロフィルを使用して検証されていることに注意してくださいとマスク上の公称寸法とは若干異なります。発注チャネルとノズルの真のイメージは、オンラインで入手できます補足図1 。 AutoCADのマスク·ファイルは 、この原稿を補完するものとしてオンラインで含まれています。
図2。広いデバイス(80μm幅×22μmの高い)を使用して噴射遷移に滴り落ちるのヒステリシス。 )定数FC-40流量(Q オイル = 45μL/ min)で、安定した液滴形成は、Q AQ = 8μL/ minの水の流量を用いて、10 kHzで発生します。水の流量は徐々に10&mに増加するにつれU、L / minで、ストリームがトリガされた水性流体の噴射。 b)の流量が噴射が続く8μL/ minに返されます。安定した液滴形成が簡単に水性流ポンプ(1秒間のポーズが典型的です)一時停止して再確立できることに注意してください。
図3。シングルとダブル粒子カプセル化。)6.1 kHzのドロップダウンの生成速度の平均液滴サイズがドロップごとにセル(Q オイル = 60μL/ minで、Q AQ = 9μL/ min)をドロップ形成24.4 PL、および単一セルのキャプチャ効率が2つのセルを持つD K = 79.5パーセントと、P はk = nのサンプルサイズの83.7パーセント(λ= 0.95)、D = 517滴とN P = 491粒子b)の液滴形成ドロップあたり30μにFC-40の流量Q 油を減らすことによって、単に達成されL /分。より大きい(39.8 PL)滴が2セル捕捉効率D K = 71.5パーセントと、P、K、N、D = 383滴とnのサンプルサイズのために= 79.5パーセント(λ= 1.80)と3.8 kHzのレートで形成されP = 689粒子。CD)二つのヒストグラムは、順序付けられた、シングルおよびポアソン統計(ランダム封入)を持つ二重粒子カプセル化のドロップカプセル化粒子の効率D k を比較します。両方のケースでは、流れの方向に粒子間隔が完全に順序付けられた、交互に粒子の17から18程度であることに注意してください。シングルとダブル粒子カプセル化の両方を示す補足ビデオがオンラインで入手できます。 補足ムービー3aを表示するには、ここをクリック 。 補足ムービー3bを表示するには、ここをクリック 。
図4の濃度が大幅に濃度が減少すると)は 、完全な順序付けは発生しません。カプセル化効率に影響を与え、列車のため、 "穴"が予想される粒子よりも少ないといくつかの滴を残して、出てくる。b)のヒストグラムは、効率が低下を示します( D、K二重粒子降下がありますので、単一粒子の多くが下がるとほぼ存在λ= 1.57の低い値による2粒子のカプセル化= 55.9パーセント、P、K = 70.9パーセント)。 Q 油からこの図の結果は= 30μL/ minとQ AQ = 9μL/ minであり、 図3bと同様のフロー条件。代表的な補足ビデオがオンラインで入手可能です。 補足ムービー4を表示するには、ここをクリックしてください 。
発注の比較的高い程度にもかかわらず、すべてのドロップは、粒子または細胞の適切な数が含まれています。カプセル化効率は、その総数で割った望ましい占有と滴にカプセル化されたようになる細胞または粒子の数として計算することができる。これらの生データを収集し、エマルジョンのサンプル自動化された高速ビデオ·アルゴリズムから、またはイメージングのいずれかから取得す?...
JEは、この原稿で利用技術に基づく特許出願中の発明です。
我々は、この研究で利用さPFPE-PEG系界面活性剤の例については、レインダンスの技術に感謝し、我々はPDMSチャネルのレプリカを作成するために使用されるシリコンウェハモールド用バイオMEMSリソースセンター(メフメットトナー、ディレクター)に感謝。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
試薬の名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
AutoCADの | オートデスク | ||
透明マスク | のFineLineイメージング株式会社 | ||
SU-8フォトレジスト | マイクロケム | 2050 | |
Dektakプロフィル | Veeco社 | ||
ペトリ皿 | BDファルコン | 351058 | |
PDMSシリコーンエラストマーキット | ダウコーニング(株) | Sylgard 184、材質番号(240)4019862 | |
減圧デシケーター | Jencons | 250から030 | |
真空ポンプ | アルカテル·バキューム·テクノロジー | 2010 C2 | |
真空レギュレータ | コール·パーマー | EW-00910から10 | |
オーブン | サーモフィッシャーサイエンティフィック | リンドバーグブルーM、OV800F | |
生検パンチ、0.75ミリメートル | ハリス | ユニコア15072 | |
実験室コロナ処理機 | エレクトロ·テクニック·プロダクツ株式会社 | BD-20AC、SKU 12051A | |
スライドガラス | ゴールドシール | 3010 | |
Aquapel | PPGインダストリーズ | 代替戦略 | |
ポリスチレンマイクロスフェア、9.9μmの | サーモ | G1000 | |
OptiPrep | Sigma-Aldrich社 | D1556 | 示されていません |
ルアーロックシリンジ | BD | 1 ML:309628 3 ML:309585 | |
FC-40フッ素オイル | 3M社 | シグマアルドリッチ、F9755 | |
PFPE-PEGのフッ素系界面活性剤 | レインダンステクノロジーズ | ||
軽油 | PTIプロセスケミカル | 08042-47-5 | 代替戦略 |
ミネラルオイルの界面活性剤 | エボニックゴールドシュミット社 | ABIL EM 90 | 代替戦略 |
タイゴンPVCチューブ | SmallParts | TGY-010 | |
30ゲージルアーロックシリンジニードル、1/2 " | SmallParts | NE-301PL-C | |
倒立顕微鏡 | カールツァイスイメージング | アクシオObserver.Z1 | |
ハイスピードカメラ | ビジョン研究 | ファントムV310 | |
シリンジポンプ(2) | Chemyx株式会社 | ネクサス3000 | |
シリコーンオイル | ダウコーニング | 200流体、10 cStの | エマルジョンストレージ用のオプション |
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