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Ensaios de gotículas de água em óleo são úteis para química analítica, evolução enzimático e análise de células únicas, mas normalmente requerem microfluidos para formar as gotículas. Aqui, descrevemos a emulsificação de modelos de partículas, uma abordagem microfluida livre para realizar ensaios de gotículas.
As reações realizadas em gotículas monodispersadas proporcionam maior precisão e sensibilidade em comparação com as equivalentes realizadas em massa. No entanto, a exigência de microfluidics para formar gotículas controladas impõe uma barreira aos não especialistas, limitando seu uso. Aqui, descrevemos a emulsificação de modelos de partículas, uma abordagem para gerar gotículas monodispersas sem microfluidos. Usando esferas de hidrogel templating, encapsulamos amostras em gotículas monodispersadas por vórtice simples. Demonstramos a abordagem usando-a para executar PCR digital sem microfluidic.
Microfluidos de gotículas aproveitam a compartimentação em gotículas picoliter para aumentar a sensibilidade e a precisão dos ensaios em comparação com reações a granel, e têm inúmeras aplicações em triagem química, engenharia de proteínas e sequenciamento de próxima geração1,2,3. Por exemplo, a reação em cadeia de polimerase de gotícula digital (ddPCR) proporciona maior precisão em comparação com a reação em cadeia de polimerase quantitativa em massa (qPCR), com aplicações para variação genética em cânceres, detecção de doenças causadoras de mutações e diagnóstico pré-natal4,5,6. Um desafio dos microfluidos gotículas, no entanto, é a exigência de dispositivos microfluidos para amostras de partição; enquanto os microfluidos oferecem um excelente controle sobre propriedades de gotículas, eles exigem expertise especializada para construir e operar 7,8. Consequentemente, os métodos baseados em gotículas são em grande parte limitados a laboratórios especializados ou, em raros casos, aplicações em que um instrumento comercial está disponível9,10. Para ampliar o uso de ensaios de gotículas, a exigência de instrumentação microfluida especializada é um obstáculo que deve ser superado.
Neste artigo, descrevemos a Emulsificação de Modelo de Partículas (PTE), um método livre de microfluidic para realizar reações em gotículas monodispersadas. Em PTE, partículas templating engolfam a amostra em gotículas em óleo transportador por vórtice simples (Figura 1). À medida que o sistema se mistura, a porção aquosa se fragmenta em gotículas de tamanho redutor até que as gotículas contenham partículas únicas, momento em que a fragmentação adicional não é possível porque requer a quebra das partículas. A amostra engolfada envolve as partículas como uma concha nas gotículas, encapsulando assim quaisquer células dispersas, reagentes ou moieties funcionais (Figura 1D). Assim, o PTE não requer nenhum equipamento ou perícia para realizar reações de gotículas além de um vórtice comum. Além disso, a geração de gotículas leva segundos em comparação com minutos ou horas com microfluidos, e a quantidade produzida é proporcional ao volume do recipiente, não ao tempo de operação do dispositivo, tornando-o extremamente escalável. Esses benefícios tornam o PTE ideal para a realização de ensaios de gotículas em uma variedade de circunstâncias em que os microfluidos são impraticáveis. Aqui, demonstramos PTE e usamos para realizar ddPCR.
Figura 1. Visão geral do processo de emulsificação de modelos de partículas. (A) Partículas templating são misturadas com reagentes. (B) Os reagentes em excesso são removidos após a centrifugação. (C) A adição de moléculas de modelo ocorre antes da adição de óleo. (D) O vortexing produz gotículas contendo uma única molécula de modelo. (E) A termociclismo e a imagem subsequentes permitem a análise digital de gotículas do modelo de destino. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
1. Preparação de partículas de hidrogel para emulsificação de modelos de partículas.
Partículas de hidrogel usadas para emulsificação de modelos de partículas podem ser preparadas usando dois métodos diferentes.
2. Emulsificação modelada por partículas.
Após a preparação de partículas templating, PTE é usado para encapsular a amostra e reagentes em gotículas.
Volume | Reagente |
100 μL | Partículas (450 partículas / μL) |
200 μL | 2x mix mestre PCR |
18 μL | Primer para frente de 10 μM |
18 μL | Primer reverso de 10 μM |
18 μL | Sonda de 10 μM |
0,8 μL | Tritão X100 |
45,2 μL | Água livre de nuclease |
Mesa 1. Preparação do mix mestre pcr usado com PTE para PCR droplet digital.
3. PCR e análise de gotícula digital.
Passo | Temperatura | Duração | Anotações |
1 | 95 °C | 2 min. | |
2 | 95 °C | 30 s | |
3 | 50 °C | 90 s | |
4 | 72 °C | 60 s | |
5 | Repita x34 passos 2 a 4 | ||
6 | 72 °C | 2 min. | |
7 | 4 °C | segurar |
Mesa 2. Condições de termociclismo para PCR de gotícula digital usando emulsões PTE.
Figura 2. Encapsulamento da amostra em gotículas usando emulsificação de modelo de partículas. (A) partículas templating utilizadas para emulsificação de templatização de partículas. (B) Separação da pellet de partículas templating de supernasce após centrifugação. (C) Gotículas resultantes da emulsificação de molde de partículas com (D) concha aquosa identificável. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
No PTE, a monodispersidade das emulsões é ditada pela das partículas templating, porque as gotículas têm um diâmetro ligeiramente maior que as partículas. Assim, partículas uniformes são centrais para encapsulamento PTE controlado11. Existem diversos métodos para a geração de partículas templating uniformes, incluindo métodos químicos (sol-gel, polimerização emulsion), hidrodinâmico (emulsificação de membrana, homogeneização) e filtragem. Abordagens microfluídicas, em particular, oferecem monodispersidade soberba (Figura 2A) e permitem que a engenharia adicional de partículas melhore sua funcionalidade no PTE12. Alternativamente, partículas templating podem ser adquiridas, embora sua uniformidade, embora adequada, seja tipicamente menor do que com geração microfluida11.
Para realizar PTE, as partículas são misturadas com a amostra a ser encapsulada (Figura 1A), e o excesso de supernante é removido por centrifugação e pipetação (Figura 1B), como ilustrado por uma fotografia de uma pelota de partículas na parte inferior de um tubo PCR (Figura 2B). O óleo encapsulante contendo um surfactante estabilizador é então adicionado (Figura 1C), e a amostra suavemente pipetada antes do vórtice por 30 segundos (Figura 1D), para gerar a emulsão (Figura 2C). As gotículas resultantes contêm um núcleo de partículas e uma concha aquosa que compreende a amostra inicial, dentro da qual residem os reagentes, moléculas-alvo e células necessárias para a reação (Figura 2D). Assim como no encapsulamento microfluido gotícula, entidades discretas como pequenas contas ou células são encapsuladas aleatoriamente e de acordo com uma distribuição de Poisson, embora quase todas as gotículas contenham uma partícula templating devido à natureza da física pte.
Figura 3. Identificação e limpeza de gotículas de emulsificação modelada de partículas. (A) Exemplo de geração de gotículas não uniformes com múltiplas partículas por gotícula de vórtice insuficiente. (B) Presença esperada de satélites e gotículas após emulsificação de partículas modelada e (C) o fracionamento água-em-óleo. (D) Emulsão resultante após a lavagem do óleo. (E) Geração excessiva de satélites resultantes de sobrenaspeito residual durante a emulsificação de modelos de partículas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Mesmo em PTE bem sucedido, existem gotículas de núcleo duplo ou triplo, embora geralmente contribuam de forma negligente para a reação, desde que sejam raras. Alcançar uma baixa frequência de gotículas multicoras, mantendo conchas adequadas, requer otimização dos parâmetros de processo, incluindo tensão superficial, forças de adesão inter-partículas, viscosidade amostral, tamanho do contêiner e poder e tempo de vórtice. Por exemplo, uma emulsificação mal otimizada pode conter gotículas polidispersed com muitas partículas templating (Figura 3A), indicando que o vórtice foi insuficiente para emulsionar totalmente a amostra. Nesses casos, detergentes podem ser adicionados para reduzir a adesão inter-partícula e menor tensão superficial, ou poder de vórtice ou tempo pode ser aumentado. Outra questão comum é a geração de satélites excessivos, que são pequenas gotículas vazias (Figura 3B). Satélites podem ser inevitáveis em emulsões de PTE, dependendo da tensão interfacial e propriedades reológicas da amostra e do óleo transportador. No entanto, muitas vezes resultam de não remover adequadamente o excesso de amostra antes da emulsificação (Figura 2B), ou vórtices com muita potência, retirando as conchas das gotículas. Em uma emulsificação pte bem sucedida, os satélites não devem incluir mais de ~10% do volume total de amostras encapsuladas (Figura 3C)11. Nesse nível, eles geralmente contribuem de forma negligente para a reação e podem ser ignorados. Para fins estéticos, podem ser retirados da emulsão lavando com óleo fresco (Figura 3D).
Figura 4. Avaliação do modelo de partículas emulsionamento digital gotícula PCR. (A) A imagem fluorescente das gotículas identifica gotículas fluorescentes positivas e gotículas negativas não fluorescentes. (B) Identificação de modelo raro ou baixas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. (C) Sobre o encapsulamento de modelo abundante, resultando em um número variável de moléculas de modelo por gotícula. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para demonstrar a utilidade do PTE, usamos-na para realizar o PCR11 digital sem microfluidic. Usando o processo, encapsulamos uma amostra composta por DNA genômico de S. cerevisiae , e o termociclizamos. No PCR digital, gotículas contendo alvos amplificados tornam-se fluorescentes, enquanto aquelas sem permanecer fracas. Assim, uma gotícula fluorescente indica um alvo, permitindo a quantitação direta das metas contando gotículas positivas (Figura 4A). O número de gotículas fluorescentes, portanto, escala com as moléculas-alvo, produzindo poucos pontos positivos quando o alvo é raro (Figura 4B) e muitos quando é abundante (Figura 4C). Assim como no encapsulamento de outros componentes discretos, o encapsulamento de alvo segue uma distribuição poisson, permitindo que a fração de gotícula positiva seja transformada na concentração de destino (Figura 4D), demonstrando assim a capacidade de executar PCR digital com PTE11.
Figura 5. Demonstração do PCR de gotícula digital usando PAA disponível comercialmente. (A) A imagem fluorescente das gotículas identifica gotículas negativas não fluorescentes. (B) Identificação de baixas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. (C) Identificação de altas concentrações de modelo com PCR de gotícula digital. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Esses resultados são repetíveis usando partículas de poliacrilamida disponíveis comercialmente (Figura 5) e demonstram a capacidade do PTE de executar PCR digital padrão com partículas de poliacrilamida disponíveis comercialmente, obtendo medições precisas ao longo da mesma faixa.
Arquivo suplementar. Clique aqui para baixar este arquivo.
Pte usa partículas para encapsular amostras em gotículas monodispersed por vórtice. Além de sua simplicidade e acessibilidade, o PTE oferece vários benefícios adicionais, incluindo permitir que grandes volumes de gotículas sejam gerados instantaneamente. Além disso, o processo pode ser conduzido em um tubo isolado, evitando a necessidade de transferência de amostras para dispositivos microfluidos, agilizando o fluxo de trabalho global e limitando oportunidades de contaminação ou perda de amostras. As partículas templating também fornecem um meio pelo qual projetar o conteúdo das reações de gotículas resultantes. Por exemplo, o tamanho das partículas, a química e a umidade podem ser projetados para biomolécula ou captura celular direcionada, enquanto moieties funcionais, como enzimas, ativos ou ácidos nucleicos, podem ser exibidos em partículas para facilitar reações, como para sequenciamento de células únicas ou caracterização funcional. Embora a abordagem seja flexível, há, no entanto, restrições importantes ao seu uso. Por exemplo, atualmente não é possível realizar adições de gotículas como são frequentemente conduzidas com microfluidos, exigindo que todos os componentes de reação sejam introduzidos antes do encapsulamento; isso requer que os reagentes sejam compatíveis e estáveis até que as gotículas possam ser geradas e, no caso de combinações problemáticas, muitas vezes podem ser tratadas misturando e emulsificando rapidamente a amostra no gelo. Alternativamente, podem ser utilizados componentes reativos que podem ser acionados externamente com luz ou calor13. Assim, o PTE fornece um método flexível e escalável para a realização de ensaios de gotículas acessíveis a não especialistas. Isso, aliado à sua simplicidade inata e flexibilidade, torna o PTE ideal para a execução e desenvolvimento de inúmeras aplicações de gotículas.
Os autores não têm nada a revelar.
Este trabalho de desenvolvimento desse protocolo contou com o apoio dos Institutos Nacionais de Saúde (R01-EB019453-02), do Escritório do Diretor de Inteligência Nacional, Atividade de projetos de pesquisa avançada em Inteligência através da Raytheon BBN Technologies Corp (N66001-18-C-4507), o Programa de Investigação de Biohub Chan-Zuckerberg, Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa através da Texas A&M University (W911NF1920013) e Centros de Controle e Prevenção de Doenças através da Universidade Johns Hopkins Aplicada Laboratório de Física (75D30-11-9C-06818 (CDC3)). As opiniões e conclusões aqui contidas são dos autores e não devem ser interpretadas como necessariamente representando as políticas oficiais, expressas ou implícitos, das organizações acima ou do Governo dos EUA. O governo dos EUA está autorizado a reproduzir e distribuir reimpressões para fins governamentais, apesar de qualquer anotação de direitos autorais.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 um syringe filter | Milipore Sigma | SLGP033RS | |
0.5M EDTA, pH 8.0 | Thermo-Fisher | 15575020 | |
0.75 mm biopsy punch | World Precision Instruments | 504529 | |
1 mL syringes | BD | 309628 | |
1H,1H,2H-Perfluoro-1-Octanol (PFO) | Sigma-Aldrich | 370533 | |
1M Tris-HCI, pH 8.0 | Thermo-Fisher | 15568025 | |
27 gauge needles | BD | 305109 | |
3" silicon wafers, P type, virgin test grade | University Wafers | 447 | |
3D-printed centrifuge syringe holder | (custom) | (custom) | |
Acrylamide solution,40%, for electrophoresis, sterile-filtered | Sigma-Aldrich | A4058-100ML | |
Ammonium persulfate | Sigma-Aldrich | A3678-25G | |
Aquapel (fluorinated surface treatment) | Pittsburgh Glass Works | 47100 | |
Hexane | Sigma-Aldrich | 139386 | |
FC-40 fluorinated oil | Sigma-Aldrich | F9755 | |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | 109827 | |
N,N′-Methylenebis(acrylamide) | Sigma-Aldrich | 146072-100G | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
Novec-7500 Engineering Fluid (HFE oil) | 3M | 98-0212-2928-5 | |
polyethylene tubing | Scientific Commodities | B31695-PE/2 | |
fluorosurfactant | Ran Biotechnologies | 008-FluoroSurfactant | |
PGMEA developer | Sigma-Aldrich | 484431 | |
Photomasks | CadArt Servcies | (custom) | |
Platinum Multiplex PCR Master Mix (Taq Master Mix) | Applied Biosystems | 4464263 | |
Spin coater | Specialty Coating Systems | G3P-8 | |
Span 80 (sorbitane monooleate) | Sigma-Aldrich | s6760 | |
SU-8 3025 photoresist | Kayaku | 17030192 | |
Triton X-100 (octylphenol ethoxylate) | Sigma-Aldrich | t8787 | |
Tween 20 (polysorbate 20) | Sigma-Aldrich | p2287 | |
Platinum Multiplex PCR Master Mix (Taq Master Mix) | Applied Biosystems | 4464263 | |
Yeast FWD | IDT | 5′-GCAGACCAGACCAGAACAAA-3′ | |
Yeast REV | IDT | 5′-ACACGTATGTATCTAGCCGAATA AC-3 | |
Yeast Probe | IDT | 5′-/56-FAM/ATATGTTGT/ZEN/TCACTCGCGCCTGGG/3IABk FQ/-3′ | |
EVOS FL AUTO | Life Technologies | ||
EVOS LED Cube, GFP | Life Technologies | AMEP4651 | |
SYLGARD 184 KIT 1.1 LB (PDMS base and curing reagents) | Dow Corning | DC4019862 | |
TEMED | Thermo Fisher | 17919 | |
Saccharomyces cerevisiae genomic DNA | Milipore | 69240-3 | |
Expanded plasma cleaner (plasma bonder) | Harrick Plasma | PDC-002 (230V) |
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