名(ming)古屋(wu)、東(dong)京大學(xue)等(deng)：雙泵(beng)探(tan)針與(yu)微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)集(ji)成(cheng)，用(yong)於測量(liang)單(dan)細胞(bao)瞬態響應(ying)

集(ji)成微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)技(ji)術(shu)在生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)和(he)生(sheng)物(wu)物(wu)理學(xue)領域展(zhan)現了巨(ju)大的潛力(li)，它能夠實(shi)現細(xi)胞(bao)分離(li)、捕(bu)獲(huo)以及檢測單(dan)細胞(bao)等(deng)多(duo)種(zhong)功能。液體(ti)的交換(huan)和(he)微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)的集成也起著(zhe)關(guan)鍵(jian)性(xing)作用(yong)，這(zhe)使(shi)得(de)研(yan)究者能(neng)夠精(jing)確調控細胞外環境(jing)，並同(tong)步(bu)刺激與(yu)檢測單(dan)個細(xi)胞，從(cong)而(er)實(shi)時(shi)觀(guan)察(cha)到細胞(bao)響應(ying)的細致與(yu)動(dong)態變(bian)化。為了精(jing)確測量(liang)細(xi)胞在刺激下(xia)的瞬態反(fan)應(ying)，高速(su)液體(ti)交換(huan)和(he)精(jing)確的測量(liang)技(ji)術(shu)也(ye)變(bian)得(de)至(zhi)關重要。

在本研究中，來(lai)自(zi)日本名古屋(wu)大學(xue)、東(dong)京大學(xue)和(he)東(dong)北大學(xue)的團(tuan)隊(dui)研(yan)發(fa)了壹(yi)種(zhong)集成了微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)和(he)雙泵(beng)探(tan)針的系統來測(ce)量(liang)單(dan)個細(xi)胞瞬態響應(ying)的新方(fang)法。該系(xi)統由雙泵(beng)探(tan)針、微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)、光學(xue)鑷(nie)子(zi)、外部機(ji)械臂(bi)、外部壓(ya)電(dian)執(zhi)行器(qi)等(deng)組(zu)成。研(yan)究團(tuan)隊(dui)將(jiang)雙泵(beng)探(tan)針集(ji)成在壹起，以實(shi)現高(gao)速(su)液體(ti)交換(huan)，並通過局(ju)部流(liu)控制(zhi)技(ji)術(shu)，確保芯(xin)片(pian)上(shang)的單(dan)個細(xi)胞接(jie)觸力檢測幾(ji)乎不受幹(gan)擾(rao)。借(jie)助(zhu)該系(xi)統，研究團(tuan)隊(dui)能(neng)夠以(yi)很(hen)高的時間分辨(bian)率(lv)精(jing)確測量(liang)細(xi)胞對滲(shen)透(tou)性沖(chong)擊(ji)的瞬態響應(ying)。

相關(guan)研(yan)究以(yi)“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response"為題發(fa)表(biao)在國際(ji)著(zhu)名(ming)期刊(kan)《Micromachines》上(shang)。

首(shou)先，團(tuan)隊(dui)設計(ji)了雙管移液器(qi)，並與(yu)兩個壓(ya)電(dian)泵組裝(zhuang)成了壹(yi)個(ge)能夠(gou)同(tong)時(shi)進(jin)行液體(ti)註(zhu)射(she)和(he)抽(chou)吸的雙泵(beng)探(tan)針系(xi)統。該探(tan)針尖部由摩(mo)方(fang)精密(mi)面(mian)投影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光刻（PμSL）3D打印技(ji)術(shu)（nanoArch® S130，精(jing)度(du)：2 μm）制(zhi)備(bei)而(er)成。然(ran)後(hou)，研究人員(yuan)制(zhi)備(bei)了帶(dai)有探(tan)針的微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)，並(bing)對集(ji)成(cheng)的力傳(chuan)感(gan)器(qi)進行了校準。

圖(tu)3. (a) 力(li)測(ce)量(liang)過程(cheng)的概念(nian)；(b) 探(tan)針和(he)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的圖像；(c) 作為彈簧力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的空心(xin)折疊(die)梁(liang)結構(gou)；(d) 力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的校準數據(ju)和(he)理論(lun)值(zhi)示(shi)例（藍色(se)點表示校準後(hou)使(shi)用力傳(chuan)感(gan)器(qi)測量(liang)的數據，橙色(se)曲(qu)線(xian)表(biao)示(shi)理論(lun)值(zhi)）；(e) 通(tong)過測(ce)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)針位(wei)移數(shu)據(ju)的3σ來評估(gu)力傳(chuan)感(gan)器(qi)的穩定性。D0: 原(yuan)始細(xi)胞(bao)直徑(jing)；δs, δp: 傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)探(tan)針的位移；L: 梁(liang)結構(gou)的長度(du)；σ: 標(biao)準偏差(cha)。

接(jie)下(xia)來(lai)，研(yan)究團(tuan)隊(dui)對雙泵(beng)探(tan)針系(xi)統的性能進行了細(xi)致(zhi)的表征，並深(shen)入研(yan)究了分析位(wei)置(zhi)和(he)面(mian)積對液體(ti)交換(huan)時間的影響。此(ci)外，團(tuan)隊(dui)還(hai)通(tong)過優化註(zhu)射(she)電(dian)壓(ya)，確保了液體(ti)濃度(du)變(bian)化的完整性，使(shi)得(de)平均(jun)液體(ti)交換(huan)時間縮(suo)短(duan)至(zhi)約3.33毫(hao)秒(miao)。實(shi)驗結(jie)果(guo)表明(ming)，力傳(chuan)感(gan)器(qi)在液體(ti)交換(huan)過程(cheng)中僅(jin)受(shou)到輕(qing)微(wei)幹(gan)擾(rao)。利(li)用(yong)這(zhe)壹系統(tong)，團(tuan)隊(dui)成(cheng)功測(ce)量(liang)了滲(shen)透(tou)壓(ya)沖(chong)擊(ji)下(xia)Synechocystis sp. PCC 6803菌(jun)株(zhu)的變(bian)形(xing)和(he)反(fan)應力(li)，平均(jun)響應(ying)時(shi)間約為16.33毫(hao)秒(miao)，從(cong)而(er)揭(jie)示(shi)了在毫(hao)秒(miao)級(ji)滲透(tou)壓(ya)沖(chong)擊(ji)下(xia)壓(ya)縮(suo)的單(dan)個細(xi)胞的瞬態響應(ying)。

圖(tu)4. (a) 使(shi)用光學(xue)鑷(nie)子(zi)系(xi)統(tong)捕(bu)獲(huo)並定位(wei)單(dan)個細(xi)胞在兩個芯(xin)片(pian)探(tan)針之(zhi)間；(b) 使(shi)用外部壓(ya)電(dian)執(zhi)行器(qi)壓(ya)縮(suo)目(mu)標(biao)細胞(bao)；(c）利(li)用(yong)3D機(ji)械臂(bi)將探(tan)針尖部移(yi)動(dong)到預定(ding)位(wei)的位置；(d) 從(cong)註(zhu)射(she)桶(tong)註(zhu)入LOC溶(rong)液，同(tong)時(shi)從(cong)抽(chou)吸桶(tong)抽(chou)吸探(tan)針尖部下(xia)方(fang)的液體(ti)，此(ci)時細(xi)胞(bao)外環境(jing)從(cong)HOC溶液變(bian)為LOC溶液；(e) 外部壓(ya)電(dian)執(zhi)行器(qi)釋(shi)放探(tan)針，並(bing)將探(tan)針尖部沿垂(chui)直方(fang)向(xiang)遠(yuan)離(li)芯(xin)片(pian)表(biao)面(mian)。

圖(tu)5. 分析區域的位置和(he)面(mian)積對評估(gu)液體(ti)交換(huan)時間的影響。(a) 測(ce)量(liang)區域的顯微(wei)鏡(jing)圖像(xiang)。不同(tong)顏(yan)色(se)的圓圈表示用於(yu)分析灰(hui)度(du)級(ji)的位置，相鄰(lin)的圓圈描述了相應(ying)的液體(ti)交換(huan)時間。(b) 分析區域的位置對評估(gu)液體(ti)交換(huan)時間的影響。擬合曲(qu)線(xian)的顏色與(yu)分析區域的顏色相對應(ying)。（c）分析在直徑(jing)為2、4和(he)6 μm的同(tong)心(xin)圓形(xing)區域（綠色(se)圓(yuan)圈）中液體(ti)交換(huan)期間灰(hui)度(du)值(zhi)的變(bian)化。

此(ci)外，為了準(zhun)確評估(gu)液體(ti)交換(huan)對傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)針的幹擾(rao)，研究團(tuan)隊(dui)用(yong)與(yu)Synechocystis sp. PCC 6803菌株(zhu)具有相似(si)楊(yang)氏(shi)模量(liang)和(he)大小(xiao)的聚二(er)甲(jia)基(ji)矽氧烷（PDMS）珠代替(ti)了細(xi)胞(bao)，因(yin)為聚二(er)甲(jia)基(ji)矽氧烷珠的體(ti)積不受滲(shen)透(tou)壓(ya)變(bian)化的影響。研(yan)究結(jie)果(guo)顯示，在傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)針的位移數據(ju)中幾(ji)乎不能觀(guan)察(cha)到與(yu)液體(ti)交換(huan)相關(guan)的幹擾(rao)。並且(qie)，與(yu)層流(liu)法中封(feng)閉式微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)內由液體(ti)交換(huan)引起的幹擾(rao)相比(bi)，具有雙泵(beng)探(tan)針系(xi)統實(shi)現了局(ju)部液體(ti)交換(huan)，從(cong)而(er)顯著(zhu)降(jiang)低(di)了液體(ti)交換(huan)過程(cheng)下(xia)的幹擾(rao)，提高了力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的測量(liang)精(jing)度(du)。

圖(tu)6. 註(zhu)入電(dian)壓(ya)對液體(ti)交換(huan)程(cheng)度(du)和(he)液體(ti)交換(huan)對位(wei)移(yi)測量(liang)的幹擾(rao)的影響。(a) 註(zhu)入電(dian)壓(ya)對液體(ti)交換(huan)程(cheng)度(du)的影響。當註(zhu)入電(dian)壓(ya)超過20伏時，灰(hui)度(du)值(zhi)的變(bian)化趨(qu)於穩(wen)定(ding)，這(zhe)意味著(zhe)細(xi)胞(bao)外溶液已交(jiao)換(huan)；(b) 液體(ti)交換(huan)期間灰(hui)度(du)級(ji)變(bian)化和(he)相應(ying)的傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)針幹(gan)擾(rao)。

綜上所(suo)述，研(yan)究團(tuan)隊(dui)開(kai)發(fa)了壹(yi)個(ge)集成(cheng)了微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)和(he)雙泵(beng)探(tan)針的系統，用於(yu)研(yan)究單(dan)個Synechocystis細(xi)胞的瞬態響應(ying)。該系(xi)統能在芯(xin)片(pian)表(biao)面(mian)局(ju)部快(kuai)速(su)地進行液體(ti)交換(huan)，且(qie)對周圍環(huan)境(jing)幹擾(rao)極(ji)小(xiao)。系(xi)統的平均(jun)液體(ti)交換(huan)時間約為3.33毫(hao)秒(miao)，比(bi)之(zhi)前的成果快(kuai)了100倍(bei)以(yi)上，甚(shen)至(zhi)比(bi)細(xi)胞(bao)對滲(shen)透(tou)壓(ya)變(bian)化的響應(ying)時(shi)間還(hai)要(yao)快(kuai)，這(zhe)使(shi)得(de)能(neng)夠(gou)更(geng)精確地揭(jie)示(shi)單(dan)個細(xi)胞的瞬態反(fan)應(ying)。由於MS通道(dao)能夠(gou)感(gan)知(zhi)膜(mo)張力(li)，細(xi)胞的壓(ya)縮(suo)或膨(peng)脹(zhang)揭(jie)示(shi)了MS通(tong)道(dao)的特(te)征。本研究的成果證明(ming)了所(suo)開發(fa)系(xi)統在準確研究單(dan)個細(xi)胞響應(ying)方(fang)面的有效(xiao)性，並(bing)為生(sheng)物(wu)物(wu)理學(xue)和(he)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)領域的未來(lai)研究提供(gong)了有益(yi)的見(jian)解。