Aptamer 친화성 비드를 사용한 그람 음성 박테리아의 유류 분리를 위한 미세유체 Acoustophoresis
Summary
이 논문은 배지로부터 그람 음성 박테리아의 빠르고 효율적인 분리를 위해 사용될 수 있는 미세유체 acoustophoresis 기술 및 앱타머-개질된 마이크로비드를 사용하는 마이크로유체 acoustophoretic 칩의 제조 및 작동을 설명한다.
Abstract
이 글에서는 배지로부터 그람 음성 박테리아를 빠르고 효율적으로 분리하는 데 사용할 수 있는 미세유체 acoustophoresis 기술 및 앱타머-개질된 마이크로비드를 이용한 미세유체 acoustophoretic 칩의 제조 및 작동에 대해 설명한다. 이 방법은 긴 사각형 마이크로 채널의 혼합을 사용하여 분리 효율을 향상시킵니다. 이 시스템에서, 샘플과 버퍼는 유동 제어기를 통해 입구 포트로 주입된다. 비드 센터링 및 샘플 분리를 위해 AC 전력은 전력 증폭기가 있는 함수 발생기를 통해 압전 트랜스듀서에 인가되어 마이크로채널에서 음향 방사력을 생성합니다. 입구와 출구 모두에 분기 채널이 있어 분리, 정화 및 농축을 동시에 수행할 수 있습니다. 이 장치는 10x 용량 농도까지 >98 %의 회복률과 97.8 %의 순도를 가지고 있습니다. 이 연구는 박테리아를 분리하는 기존의 방법보다 높은 회수율과 순도를 입증했으며, 이는 장치가 박테리아를 효율적으로 분리 할 수 있음을 시사합니다.
Introduction
유전체 전달, 자기 영동, 비드 추출, 필터링, 원심 미세 유체 공학 및 관성 효과, 표면 음향파 1,2에 기반한 방법 외에도 의료 및 환경 샘플에서 박테리아를 분리하기 위해 미세 유체 플랫폼이 개발되고 있습니다. 병원성 박테리아의 검출은 중합효소 연쇄 반응 (PCR)을 사용하여 계속되지만, 일반적으로 힘들고 복잡하며 시간이 많이 걸립니다 3,4. 미세유체 acoustophoresis 시스템은 합리적인 처리량 및 비접촉 세포 분리 5,6,7을 통해 이를 해결하기 위한 대안이다. Acoustophoresis는 음파를 통한 물질 이동 현상을 이용하여 비드를 분리하거나 농축하는 기술입니다. 음파가 마이크로채널에 들어갈 때, 이들은 비드의 크기, 밀도 등에 따라 분류되고, 세포는 현탁액 매질(7,8)의 생화학적 및 전기적 특성에 따라 분리될 수 있다. 이에 따라, 많은 acoustophoretic 연구가 활발히 추진되고 있으며, 최근에는 서표면 음향파 미세유체학에서 경계 구동 음향 스트리밍에 의해 유도되는 음향 영동 운동의 3D 수치 시뮬레이션(12)이 도입되었다.
다양한 분야의 연구는 항체 2,3을 대체하는 방법을 조사하고 있습니다. 압타머는 높은 선택성과 특이성을 갖는 표적 물질이며, 많은 연구가 2,9,10,13 진행되고 있다. Aptamers는 항체에 비해 작은 크기, 우수한 생물학적 안정성, 저렴한 비용 및 높은 재현성의 장점을 가지고 있으며 진단 및 치료 응용분야에서 연구되고 있습니다 2,3,14.
여기서, 본 글에서는 앱타머 변형된 마이크로비드를 사용하는 배지로부터 그람 음성(GN) 박테리아를 신속하고 효율적으로 분리하는데 사용될 수 있는 미세유체 acoustophoresis 기술 프로토콜을 설명한다. 이 시스템은 긴 직사각형 마이크로채널 내에서 두 개의 직교 공진을 동시에 자극하여 단일 압전 작동을 통해 2차원(2D) 음향 스탠딩파를 생성하여 노드와 안티노드 포인트에서 압타머 부착 마이크로비드를 정렬하고 집중시켜 분리 효율 2,11,15,16 . 입구와 출구 모두에 분기 채널이 있어 분리, 정화 및 농축을 동시에 수행할 수 있습니다.
이 프로토콜은 박테리아 전염병의 조기 진단 분야뿐만 아니라 실시간 물 모니터링을 통해 병원성 박테리아 감염에 대한 신속하고 선택적이며 민감한 반응에 도움이 될 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
배양 시료로부터 GN 박테리아를 포획하여 그 크기와 종류에 따른 연속 실행 방법 및 앱타머 변형 마이크로비드를 기반으로 고속으로 포획하고 이송하기 위한 음파 부양 미세유체 장치를 개발하였다. 긴 정사각형 마이크로채널은 이전에 보고된 20,21,22,23,24,25,26보다 더 간단한 설계와<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 사업은 한국연구재단(NRF) 한국 정부(과학기술정보통신부)가 후원하는 보조금의 지원을 받았다. (아니요. NRF-2021R1A2C1011380)
Materials
| 1 µm polystyrene microbeads | Bang Laboratories | PS04001 | Cell size beads |
| 10 µm Streptavidin-coated microbeads | Bang Laboratories | CP01007 | Aptamer affinity beads |
| 4-inch Silicon Wafer/SU-8 mold | 4science | 29-03573-01 | Components of chip |
| Aptamer | Integrated DNA Technologies | GN3-6' | RNA for bacteria conjugation |
| Borosilicate glass | Schott | BOROFLOAT 33 | Components of chip |
| Centrifuge | Daihan | CF-10 | Wasing particles |
| Cyanoacrylate glue | 3M | AD100 | Attach PZT to microchip |
| Escherichia coli DH5α | KCTC | KCTC2571 | Target bacteria |
| Functional generator | GW Instek | AFG-2225 | Generate frequency |
| High-speed camera | Photron | FASTCAM Mini | Observation of separation |
| Hot plate | As one | HI-1000 | Heating plate for curing of liquid PDMS |
| KOVAX-SYRINGE 10 mL Syringe | Koreavaccine | 22G-10ML | Fill the microfluidic acoustophoresis channel with bubble-free demineralized water. |
| Liquid polydimethylsiloxane, PDMS | Dow Corning Inc. | Sylgard 184 | Components of chip |
| LB Broth Miller | BD Difco | 244620 | Cell culture (Luria-Bertani medium) |
| Microscope | Olympus Corp. | IX-81 | Observation of separation |
| PBS buffer | Capricorn scientific | PBS-1A | Wasing bacteria |
| PEEK Tubes | Saint-Gobain Ppl Corp. | AAD04103 | Inject or collect particles |
| Piezoelectric transducer | Fuji Ceramics | C-213 | Generate specific wave in channel |
| Power amplifier | Amplifier Research | 75A250A | Amplify frequency |
| Pressure controller/μflucon | AMED | AMED-μflucon | Control of air pressure/flow controller |
| Tris-HCl buffer | invitrogen | 15567027 | Wasing particles |
| Tube rotator | SeouLin Bioscience | SLRM-3 | Modifiying aptamer and bead |
References
- Wu, M., et al. Acoustofluidic separation of cells and particles. Microsystem & Nanoengineering. 5 (1), 1-18 (2019).
- Lee, S. W., et al. Aptamer affinity-bead mediated capture and displacement of Gram-negative bacteria using acoustophoresis. Micromachines. 10 (11), 770 (2019).
- Hirvonen, J. J., et al. One-step sample preparation of positive blood cultures for the direct detection of methicillin-sensitive and -resistant Staphylococcus aureus and methicillin-resistant coagulase-negative staphylococci within one hour using the automated GenomEra CDXTM PCR system. European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases. 31 (10), 2835-2842 (2012).
- Swaminathan, B., Feng, P. Rapid detection of food-borne pathogenic bacteria. Annual Review of Microbiology. 48 (1), 401-426 (1994).
- Ding, X., et al. On-chip manipulation of single microparticles, cells, and organisms using surface acoustic waves. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (28), 11105-11109 (2012).
- Karthick, S., et al. Acoustic impedance-based size independent isolation of circulating tumor cells from blood using acoustophoresis. Lab on a Chip. 18 (24), 2802 (2018).
- Lenshof, A., et al. Acoustofluidics 8: Applications of acoustophoresis in continuous flow microsystems. Lab on a Chip. 12 (7), 1210-1223 (2012).
- Persson, J., et al. Acoustic microfluidic chip technology to facilitate automation of phage display selection. The FEBS journal. 275 (22), 5657-5666 (2008).
- Klussmann, S. . The aptamer handbook: Functional oligonucleotides and their applications. , (2006).
- Ellington, A., Szostak, J. W. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature. 346 (6287), 818-822 (1990).
- Tuerk, C., Gold, L. Systematic evolution of ligands by exponential enrichment: RNA ligands to bacteriophage T4 DNA polymerase. Science. 249 (4968), 505-510 (1990).
- Namnabat, M. S., et al. 3D numerical simulation of acoustophoretic motion induced by boundary-driven acoustic streaming in standing surface acoustic wave microfluidics. Scientific Reports. 11 (1), 11326 (2021).
- Nimjee, S. M., et al. Aptamer as therapeutics. Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 57, 61-79 (2017).
- Zhang, Y., et al. Recent advances in aptamer discovery and application. Molecules. 24 (5), 941 (2019).
- Park, J. W., et al. Acousto-microfluidics for screening of ssDNA aptamer. Scientific Reports. 6 (1), 1-9 (2016).
- Persson, J., et al. Acoustic microfluidic chip technology to facilitate automation of phage display selection. The FEBS Journal. 275 (22), 5657-5666 (2008).
- Van Toan, N., et al. An investigation of processes for glass micromachining. Micromachines. 7 (3), 51 (2016).
- Jansen, H., et al. A survey on the reactive ion etching of silicon in microtechnology. Journal of Micromechanics and Microengineering. 6 (1), 14 (1996).
- Hanneborg, A., et al. Silicon-to-silicon anodic bonding with a borosilicate glass layer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 1 (3), 139 (1991).
- Mach, A. J., Di Carlo, D. Continuous scalable blood filtration device using inertial microfluidics. Biotechnology and bioengineering. 107 (2), 302-311 (2010).
- Wang, S., et al. Simple filter microchip for rapid separation of plasma and viruses from whole blood. International Journal of Nanomedicine. 7, 5019-5028 (2012).
- Ai, Y., et al. Separation of Escherichia coli bacteria from peripheral blood mononuclear cells using standing surface acoustic waves. Analytical Chemistry. 85 (19), 9126-9134 (2013).
- Ohlsson, P., et al. Acoustic impedance matched buffers enable separation of bacteria from blood cells at high cell concentrations. Scientific Reports. 8 (1), 1-11 (2018).
- Park, S., et al. Continuous dielectrophoretic bacterial separation and concentration from physiological media of high conductivity. Lab on a Chip. 11 (17), 2893-2900 (2011).
- Kim, U., Soh, H. T. Simultaneous sorting of multiple bacterial targets using integrated Dielectrophoretic-Magnetic Activated Cell Sorter. Lab on a Chip. 9 (16), 2313-2318 (2009).
- Cai, G., et al. A fluidic device for immunomagnetic separation of foodborne bacteria using self-assembled magnetic nanoparticle chains. Micromachines. 9 (12), 624 (2018).
