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新型微流控器件实现目标细胞自动双重提取和纯化

       美国俄亥俄州辛辛那提大学的一支研究团队开发了一款新型微流控器件,利用微型腔体产生的微漩涡和流体的惯性作用,同时实现微量目标细胞的双重分选以及背景细胞的去除。对于细胞生物学研究和临床诊断,从复杂细胞样本里分离和纯化目标细胞是非常关键的样本制备步骤。当细胞样本中的微量目标细胞和大量背景细胞的含量存在数量级差异时,微量目标细胞的分离纯化的难度会更大,因为这不仅需要有效地提取目标细胞,还同时要求能够高效地去除背景细胞。该研究团队开发的微流控器件通过双重提取和纯化攻克了这一技术难题,该微流控器件能够连续、自动地将较大的目标细胞从背景细胞中分离出来。该研究成果将发表于近期的《TECHNOLOGY》杂志。


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       利用该新型微流控器件从人体血液中分离纯化人类肿瘤干细胞(human cancer stem-like cells, HuSLCs)。(a)微流控器件;(b)显微明场照片显示,利用两个微型漩涡腔室从人体红血细胞中双重分离纯化人类肿瘤干细胞;(c)显微明场照片显示,未分选的细胞样本(inlet),细胞分选后的照片(出口 O1、O2、O3),表明从出口3成功获得了纯化的人类肿瘤干细胞(O3)。


       “我们的微流控器件无需细胞标记,基于细胞尺寸即可连续、自动地进行细胞分选。该器件的特点是能够分离提取尺寸较大的目标细胞,同时去除几乎所有的非目标细胞,获得高纯度的目标细胞。纯化后的细胞样本有利于下游生物医学研究及诊断。”辛辛那提大学教授及该论文的研究负责人Ian Papautsky教授说。


       尽管之前的微流控器件分选细胞的效率也能达到95%以上,但如果细胞样本中非目标细胞的含量高于目标细胞几个数量级的话,利用之前的微流控器件常常无法获得高纯度的目标细胞。本课题提出了一种基于微型漩涡的惯性微流控芯片,能够高效的进行连续双重分选和纯化,获得高纯度的生物微粒。该器件利用微流道中流体的惯性作用,将快速流动的细胞进行高度有序的排列。接下来,第一对微型腔体产生了微型漩涡,细胞通过这些漩涡时,尺寸较大的目标细胞将从微型腔体的两个角落的出口提取出来,尺寸较小的背景细胞则从中间出口排出。为进一步有效分离残留的背景细胞,从微型腔体的两个角落的出口提取出来细胞样本将再次进入第二对微型腔体,实现双重细胞分选功能,由此获得高纯度的目标细胞样本。为了证实其可行性,研究人员将少量的人类肿瘤干细胞添加到人体血液中进行试验,该微流控器件成功地分离出了人类肿瘤干细胞,去除了99.97%的非目标人体红血细胞。


       “这种双重分选和纯化细胞的功能绝无仅有,但这还不是这款微流控器件唯一闪光的地方,”该论文第一作者Xiao Wang博士说,“细胞样本中的细胞尺寸各异,因此,保持器件性能的关键是灵活地调整分选和纯化的临界值。对于如今大部分的微流控器件,分选临界值的调整是通过器件的重新设计和重新制造来实现的。这将需要更长的开发时间、更高的成本,也可能会导致对时间敏感的生物样本的处理延迟。但对于我们的微流控器件来说,我们只需要通过简单地改变流体流速或者调整流体阻力,即可调整分选临界值,而无需对器件进行重新设计或重新制造。




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