Die zelluläre Hetero genität ist weit verbreitet, was die breitere Anwendung der Stamm zelltherapie in der regenerativen Medizin und im klinischen Gesundheits wesen einschränkt. Die Einzel zell isolierungs-und-sammel technologie ist ein entscheidender Schritt, um das Problem der Hetero genität anzugehen. Die Erforschung nicht-invasiver, effizienter Einzel zell isolierungs-und-sammel techniken mit hohem Durchsatz gewinnt bei Wissenschaftlern zunehmend an Aufmerksamkeit.
Abbildung 1 Schema der Einzel zell isolierung
Herkömmliche Durchflusszytometrie-Sortier techniken erfordern eine Vorbehandlung mit Fluoreszenz markierung, die zeit aufwendig und ineffizient ist und die Zell funktion beeint rächt igt. Gängige mikro fluid ische Sortier technologien wie Tröpfchen mikro fluidik kapseln einzelne Zellen in Tröpfchen ein. Aufgrund der Poisson-Verteilung ist die Effizienz der Einzel zell abscheidung jedoch gering, und die Position der eingekapselten Mikro tröpfchen ist nicht festgelegt, was eine Echtzeit beobachtung verhindert.
Ein Forschungs team der Universität für Wissenschaft und Technologie in China hat ein Einzelzellen-Trennsystem entwickelt, das auf dem Prinzip basiert, die Echtzeit-Zellerkennung mit mikro fluidischem Schlag druck zu kombinieren. Dieses System erreicht eine beschriftung freie, hoch effiziente Echtzeit identifikation und eine Trennung einzelner Zellen mit hohem Durchsatz.
Dieses Einzelzellen-Trennsystem besteht aus drei Haupt komponenten: einem Signals teuer modul, einem Bild verarbeitung modul und einem Druck modul. Für Details siehe Abbildung 2.
Abbildung 2 Prinzip des von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China entwickelten Einzelzellen-Trennungs systems
Unter der Wirkung einer Druckpumpe wird die Zell suspension vom Mikrokanal-Einlass zum Auslass transport iert. Eine Hoch geschwindigkeit kamera, die mit einem umgekehrten Mikroskop ausgestattet ist, konzentriert sich auf die Beobachtungs ebene in der Mitte des Mikro kanals und erfasst Graustufen bilder von Zellen mit einer Geschwindigkeit von 2620 Bildern pro Sekunde. Die aufgenommenen Bilder werden in Echtzeit Hintergrund extraktion, Gaußscher Denosing und Schwellen segment ierung verarbeitung unterzogen. Das System ident ifi ziert und optimiert dann die zwei dimensionalen Positionen der Zellen und sendet ein Trigger signal an das Signals teuer modul. Dieses Signal aktiviert einen piezo elektrischen Aktuator, um die flexible Membran über der Druckkammer zu beeinflussen, wodurch Tröpfchen, die die ident ifi zierten Zellen enthalten, aus der Düse auf ein Substrat ausgestoßen werden.
Abbildung 3: Hoch geschwindigkeit kamera, die den mikro fluid ischen Aufprall druck prozess erfasst
Während des mikro fluid ischen Aufprall druckprozesses können fällige Zellen lateral auftreten, und Zellen können während des Tröpfchen auswurfs eine laterale und Vorwärts bewegung erfahren, was die Zuverlässigkeit beeint rächt igt. Um die Faktoren zu untersuchen, die das Abwerfen von Zellen und die Drucke ffizienz bestimmen, werden Hoch geschwindigkeit kameras verwendet, um transiente Bilder der Zell bewegung auf einem 5-fachen Objektiv aufzunehmen, wie in den Abbildungen 4 und 5 gezeigt.
Abbildung 4: Hoch geschwindigkeit kamera, die den mikro fluid ischen Aufprall druck prozess erfasst
Abbildung 5: Hoch geschwindigkeit kamera, die den mikro fluid ischen Aufprall druck prozess erfasst
Durch eine Reihe von Experimenten, bei denen 10 μm Polystyrol-Mikro kügelchen ausgeworfen wurden, wurde gezeigt, dass das Einzelzellen trennsystem, das die Echtzeit-Zell erkennung in den Mikro fluid ik schlag druck integriert, kann einzelne Zellen bei hohem Durchsatz effizient und beschriftet frei trennen. Der Durchsatz für den Einzelzellen-Tröpfchen druck kann 15Hz erreichen, und das System unterstützt die einstufige Isolierung heterogener Einzelzellen aus Zell populationen mit einer Drucke ffizienz von mehr als 95%. Bei der Untersuchung der Reaktions mechanismen der Zell flüssigkeits dynamik ergab die Beobachtung durch Hoch geschwindigkeit kameras, dass die Position der Zellen an der Kanal kreuzung, die Antriebs spannung des piezo elektrischen Aktuators, und das Volumen der Tröpfchen sind Schlüssel variablen, die die Drucke ffizienz beeinflussen.
Diese Technologie bietet breite Anwendungs perspektiven in aufstrebenden Bereichen wie Bio organ druck, Tumor typisierung, Arzneimittel screening, chemische Kristallisation und genetische Analyse. Das Beobachtungs instrument, Hoch geschwindigkeit kameras, spielt eine entscheidende Rolle bei der Erfassung transienter Bilder der Zell bewegung während der Einzel zell trennungs stufe und der Untersuchung der Reaktions mechanismen der Fluiddynamik während des mikro fluid ischen Aufprall prozesses. (Artikel auszug aus: Yiming Wang, Xiaojie Wang, Tingrui Pana, Baoqing Li, Jiaru Chua, "Label freie Einzel zellen isolation durch mikro fluid ischen Aufprall druck und Echtzeit-Zellwert erkennung")
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