В статье на обложке текущего выпуска британского журнала Lab on a Chip исследователи из Департамента инженерных наук и механики Пенсильванского университета вместе с Ascent Bio-Nano Technologies и Национальным институтом сердца, легких и крови участвуют в Национального института здоровья США, описывают акустический сортировщик клеток, способный обеспечивать высокую производительность сортировки, необходимую для конкуренции с коммерческими сортерами клеток, активируемыми флуоресценцией.«Современные настольные сортировщики клеток слишком дороги, слишком небезопасны и требуют слишком большого обслуживания. Что еще более важно, они обладают очень низкой биосовместимостью. Процесс сортировки клеток может снизить жизнеспособность и функционирование клеток на 30-99 процентов для многих хрупких или хрупких клеток. "чувствительные клетки, такие как нейроны, стволовые клетки, клетки печени и сперматозоиды", — сказал Тони Джун Хуанг, профессор инженерных наук и механики штата Пенсильвания и автор статьи. «Мы разрабатываем акустический сортировщик ячеек, который может решить все эти проблемы».
За последнее десятилетие микрофлюидные сортировщики клеток стали новым многообещающим инструментом для секвенирования отдельных клеток, выделения редких клеток и скрининга лекарств. Однако многие из этих микрожидкостных устройств работают со скоростью всего несколько сотен ячеек в секунду, что слишком медленно, чтобы конкурировать с коммерческими устройствами, выполняющими порядка десятков тысяч операций в секунду.
Система Penn State может сортировать около 3000 ячеек в секунду с возможностью сортировки более 13000 ячеек в секунду.Скорость создается за счет использования сфокусированных встречно-штыревых преобразователей для создания стоячих поверхностных акустических волн (SSAW). Когда волны не сфокусированы, акустическое поле распространяется, замедляя процесс сортировки. Узкое поле позволяет проводить сортировку с высокой скоростью, аккуратно манипулируя отдельными ячейками.
«Ожидается, что наш высокопроизводительный акустический сортировщик клеток будет поддерживать целостность клеток, сохраняя не только высокую жизнеспособность, но и другие клеточные характеристики, такие как экспрессия генов, посттрансляционная модификация и функция клеток. Интенсивность акустической мощности и частота, используемые в нашем устройстве, являются в том же диапазоне, что и при ультразвуковой визуализации, которая оказалась чрезвычайно безопасной для наблюдения за здоровьем даже на различных стадиях беременности », — сказал Хуанг. «Благодаря мягкому характеру акустических волн малой мощности, я считаю, что наше устройство имеет наилучшие шансы на сохранение целостности клеток даже для хрупких, чувствительных клеток.
Такая способность важна для многих приложений, таких как репродукция животных, клеточная иммунотерапия и биологические исследовать."Поскольку устройство построено на основе системы «лаборатория на кристалле», оно компактно и недорого — примерно по размеру и стоимости сотового телефона в его нынешней конфигурации.
С добавлением оптики устройство все равно будет размером с книгу. Акустический сортировщик ячеек был изготовлен в лаборатории нанофабрикатов Пенсильванского университета с использованием стандартных методов литографии.«Так же, как использование линзы для фокусировки света, мы разрабатываем сфокусированные встречно-штыревые преобразователи для изменения волнового фронта акустических волн и, наконец, ограничиваем волны на небольшой площади, сравнимой с размером сортировочных целей. Сфокусированные акустические волны показали лучшие характеристики с точки зрения разрешения сортировки и энергоэффективности по сравнению с существующими акустическими методами.
Насколько нам известно, наше устройство демонстрирует самое быстрое время работы среди всех существующих акустических сортировщиков ячеек », — сказал Лицян Рен, аспирант в группе Хуанга и ведущий автор.Соавтор Филипп Маккой из Национального института сердца, легких и крови сказал: «Сортировка клеток широко используется во многих областях биологии для характеристики и разделения представляющих интерес клеточных популяций. Размер цитометра, цена и биологическая опасность остаются факторами, которые имеют помешали этой технологии получить еще большее распространение.
Микрожидкостная сортировка клеток является революционной для областей клеточной биологии и иммунологии, а также других областей биологии, поскольку позволяет одновременно преодолевать все эти препятствия. Легко представить себе применение этой технологии в разнообразная среда, от кабинета семейного врача до полевых исследований в лимнологии ».
В будущей работе исследователи планируют интегрировать свой акустический блок сортировки клеток с оптическим блоком обнаружения клеток с целью увеличения пропускной способности до 10 000 событий в секунду.Дополнительными авторами статьи под названием «Высокопроизводительный акустический сортировщик ячеек» являются Ючао Чен, Пэн Ли, Чжанмин Мао, По-Сун Хуанг, Джозеф Руфо и Фэн Го, все из штата Пенсильвания, Линь Ван из Ascent Bio-Nano Technologies и Стюарт Дж.
Левин, Национальный институт сердца, легких и крови.