想象一下，如果我們身體里的細胞無法全部打亂成均勻分布會怎樣？實際上，在那種情況下，基本已經只能算是一個巨型的多細胞團了，因為在生物體內，只有各種不同的細胞能夠被精確的分選定位，才能形成一個具有多功能分區且能夠執行正常生理活動的生物有機體。

類似的問題如果放到人工研究體系，也是殊途同歸，比如近年來發展的液滴微流控是一種強大的技術平臺，可用于多種生物學應用，包括單細胞遺傳學、抗體發現和定向進化，但要想篩選在化學組成上不同的液滴目前仍面臨困難。可事實上，在化學成分不同的液滴中進行以細胞為基礎的生物化學分析具有許多獨特的優勢，尤其是在減少樣品量、成本以及提高產量等方面。

此外，根據所需特征對不同組分液滴進行分類的能力十分關鍵，特別是在分離生物或化學篩選的命中，如可溶性細胞產物如抗體的篩選以及藥物的篩選等。因此，按需分選生產具有不同化學組成的液滴對基礎和臨床研究都具有重大意義。

新方法&新平臺

近日，來自歐洲分子生物學實驗室的Christoph A. Merten教授團隊設計了一種升級版的微流控技術平臺（micro?uidic Braille valve platform，簡稱Braille Display，BD），用于按需生成具有不同化學成分（16種不同試劑及其組合）的液滴，并且能根據熒光信號對具有不同化學性質的液滴進行分選。

該技術平臺結構緊湊、功能多樣，并且成本效益較高。在應用測試方面，這一新型微流控技術平臺成功完成了針對74種情況篩選癌細胞藥物敏感性的全過程，且能夠根據酶活性對不同的液滴進行分類。

圖1微流控技術集成平臺用于藥物篩選和液滴分選

平臺搭建

研究人員首先對芯片構造進行了設計。具體來看，在微流控芯片的常規基礎上，BD平臺采用64個針口以4×16的矩陣進行排列，并安裝控制器用于驅動，以打開和關閉上述芯片上的微閥，從而可以控制和混合16種注入溶液或在微通道中分選液滴（每個分選通道僅使用4個針口）。

圖2總體芯片以及組合控制生產示意圖

系統配備

將芯片平臺建造好后，則需要定制設定靈活的軟件控制系統，來實現多樣的功能，充分發揮BD的強大性能。為了充分適配和發揮平臺的多樣功能，研究人員共設計了12種應用程序用于實現不同的實驗目的，例如應用程序A：藥物篩選型，其中還包括數據分析的詳細信息；以及應用程序B：液滴分選型，包括分選芯片的制備、實驗設置和數據評估。

圖3分析方法的工作流程示意圖

應用示例

（1）組合藥物篩選

在進行組合藥物篩選時，主要分為三個步驟：（i）藥物和對照品的制備；（ii）編碼;（iii）BD上的芯片對接。對于該研究設計的平臺，體系優化后選擇在每個樣本約100個細胞的群體水平上進行分析，從而可以保障更多的細胞-細胞相互作用，提高藥物反應。

然而，從細胞群體水平來看，只有最有效的藥物或藥物組合才能被識別，而單個耐藥克隆可能無法分析到。因此，BD平臺也被用于生成具有不同化學成分的單細胞液滴（每個受試藥物約250個重復組），從而實現對單個耐藥克隆的識別。

然而，需要注意的是，單細胞液滴形式阻止了幾乎所有類型的細胞-細胞相互作用，因而可能導致藥物敏感性的改變，可以根據自己的具體應用和科學問題選擇分析模式，或者是進行兩種模式的混合篩選。

圖4組合藥物篩選的實驗裝置及過程

（2）液滴篩選

BD技術的另一個應用是其用于化學上不同的液滴進行分類篩選。該研究首先采用了基于熒光的條形編碼策略，只要樣品保持在連續微流陣列中，這些熒光編碼策略就可用于明確標記所有的液滴。此外，研究進一步通過在封裝前用抗體對細胞進行染色來確定每個栓塞的相對細胞數，以提高微流體篩網的可靠性。

所使用的抗體可以與生物酶偶聯，該酶可以將安培紅（Amplex Red）轉化為試鹵靈（resorufin），產生紅色熒光達到對液滴的標記。

研究通過試驗成功實現了基于圖像分析的液滴、細胞和果蠅胚胎分選。此外，該平臺可以進一步實現多達八種方式的分選模式，與常規的二元熒光強度不同，八向排序可以實現更細微的差異研究，如通過將液滴收集到不同強度的“箱”中并進行下游分析，可以研究目標群體中的熒光強度梯度。

因此，BD分選集成的平臺不僅可以分析不同藥物處理對樣本的影響，還可以物理分離感興趣的特定樣本群進行下游分析（例如，成像和測序）。

圖5根據酶活性對液滴進行分類

平臺優勢及應用總結

綜合效率和應用潛力進行分析，與現有的技術相比，該集成型BD微流控平臺的主要優勢則是成本低、靈活性高，可實現諸如聯合藥物篩選和個性化癌癥治療等不同的應用，也可以用于進行細胞、胚胎或液滴的多通道分選制備。該技術的進一步優化包括提升微流速度已經降低整體成本，從而應用去其他更多的領域，如組合篩選用于觸發細胞命運的最佳生長因子組合，可用于細胞分化、再生醫或出生缺陷的預防和治療等。

此外，因為該平臺根據自動圖像分析分離樣品進行特異性分析，有望在基于光學顯微鏡成像的發育生物學中獲得相關應用。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41596-022-00740-4







審核編輯：劉清