Bioingenjörer från UCLA och University of Tokyo har avsevärt ökat hastigheten med vilken stora vätskedroppar, som eventuellt innehåller enskilda levande celler, kan sorteras intakt och i lösvikt.
Enligt forskning publicerad i Vetenskapens framsteg , framstegen kan leda till snabbare screening — 20 gånger snabbare än för närvarande tillgängliga teknologier — för produkter tillverkade av celler, såsom biobränslen eller antikroppar.
Droppmikrofluidteknologier har blivit kraftfulla verktyg inom medicin och bioteknik. Inuti dessa mikrofluidiska enheter finns små banor som hjälper till att leda miljontals vätskedroppar, som fungerar som miniatyrprovrör för att odla celler och främja kemiska reaktioner. Droppar som innehåller unik tillväxt eller reaktioner kan sorteras automatiskt för att isolera celler av intresse från resten.
Mindre droppar, ungefär en tredjedel av tjockleken på ett människohår i diameter, har tidigare använts för att odla eller reagera celler i några timmar. Den mindre massan av dessa droppar gör dem lättare att sortera i hög hastighet med hjälp av instrument.
Men dropparna är inte tillräckligt stora för att tillåta tillväxt och långsiktig överlevnad för de flesta celler. Att öka diametern på en droppe något mer än tvåfaldigt resulterar i 10 gånger så mycket volym, tillräckligt för att helt omsluta en cell med en riklig kudde. Den flytande kudden kan hålla cellerna vid liv mycket längre och till och med låta dem växa och dela sig inuti droppen.
Dock, dessa större droppar bryts isär under bearbetning i tidigare system, mestadels på grund av deras högre tröghet när de flyttades runt.
"Ända tills nu, de långsammare hastigheter som krävs för att flytta dessa större droppar minskar många av fördelarna med att använda mikrofluidik, så vi bestämde oss för att ändra det, sa Dino Di Carlo, UCLA:s Armond och Elena Hairapetian professor i teknik och medicin och en av seniorförfattarna till studien. "Nyckeln i denna forskning är:istället för att applicera ett mycket starkt elektriskt fält på en gång för att flytta och sortera en droppe, som vanligtvis sliter isär dropparna, vi applicerar ett mycket mindre elektriskt fält runt varje droppe många gånger på ett sekventiellt sätt, för att långsamt avleda den från sin väg. Föreställ dig att avleda en ballong med många små fläktar alla inriktade och synkroniserade så att de bara blåser när ballongen passerar jämfört med att använda en stor turbulent fläkt."
Han forskare demonstrerade tekniken med hjälp av stora droppar med en mängd olika celler, inklusive cancerceller, stamceller, mikroalger och jäst. De fann att den nya metoden kunde hålla celler vid liv, odlar och utsöndrar biologiska produkter längre i de större dropparna och låter teamet sortera cellerna i mycket högre hastigheter. Framgången ger automatiserad sorterings- och analytisk bearbetningshastighet för stora droppar i linje med den för mindre droppar.
"Detta öppnar upp några nya vägar inom biologisk och cellterapitillverkning, precisionsmedicin, regenerativ medicin och grön bioteknik, " sa Di Carlo. "Till exempel, vi kan nu inkubera och odla alla typer av celler och sedan använda mikrofluidisk bearbetning för att söka efter celler med särskilt viktiga tillväxt- eller produktionsegenskaper. Detta kan inkludera att hitta de mest lovande T-cellerna för att bekämpa cancer, eller celler som utsöndrar antikroppar mot infektionssjukdomar som covid-19."
Di Carlo sa att tekniken kan tillämpas på jordbruksbaserad bioteknik eftersom systemet kan sortera alger som behövs för biobränslen eller vitaminproduktion i snabbare takt.
