Yağda su emülsiyonlarında (tapalar) kombinatoryal kütüphanelerin üretimi için polidimetilsiloksan (PDMS) bazlı iki katmanlı bir cihazın imalatı burada sunulmaktadır. Fiş üretimini otomatikleştirmek için gerekli donanım ve yazılım protokolde detaylandırılmıştır ve kantitatif bir floresan fiş kütüphanesinin üretimi de gösterilmiştir.
Damlacık mikroakışkanları, kimyasal olarak farklı nanolitre bölmelerde çok sayıda reaksiyonun yürütülmesine izin veren çok yönlü bir araçtır. Bu tür sistemler, tek hücrelerin inkübasyonundan PCR reaksiyonlarının uygulanmasına, genomikten kimyasal senteze kadar çeşitli biyokimyasal reaksiyonları kapsüllemek için kullanılmıştır. Mikroakışkan kanalların düzenleyici valflerle bağlanması, açılmaları ve kapanmaları üzerinde kontrol sağlar, böylece benzersiz bileşimlere sahip bir damlacık popülasyonundan oluşan büyük ölçekli kombinatoryal kütüphanelerin hızlı üretimini sağlar. Bu yazıda, tapa adı verilen yağda su emülsiyonlarının kombinatoryal kütüphanelerini oluşturmak için kullanılabilen, basınçla çalışan, PDMS tabanlı iki katmanlı bir mikroakışkan cihazın üretimi ve çalıştırılması için protokoller sunulmaktadır. Yazılım programlarını ve mikroakışkan donanımı birleştirerek, cihazdaki istenen sıvıların akışı, kombinatoryal fiş kütüphaneleri oluşturmak ve bileşen fiş popülasyonlarının bileşimini ve miktarını kontrol etmek için kontrol edilebilir ve manipüle edilebilir. Bu protokoller, özellikle kanser hastası biyopsilerinden elde edilen hücrelerdeki ilaç yanıtını incelemek için kombinatoryal ekranlar oluşturma sürecini hızlandıracaktır.
Mikroakışkanlar, mikrokanallardaki küçük miktarlardaki sıvıların manipülasyonuna izinverir 1. Tipik mikroakışkan cihazların çalışma ölçeği, kimyasal ve biyolojik reaksiyonların minyatürleştirilmesine izin veren ve böylece bu tür reaksiyonların nispeten küçük miktarlarda reaktiflerle gerçekleştirilmesini sağlayan onlarca ila yüzlerce mikrometredir. Başlangıçta, mikroakışkan cihazlar silikon2 ve cam3 gibi malzemelerle üretildi. Hala kullanımda olmalarına rağmen4, solvent uyumluluğu, yüksek üretim maliyeti ve sıvı akışı 5,6 kontrollerinin entegrasyonundaki zorluklar gibi bazı sorunlar ortaya çıkarmaktadırlar. Yumuşak litografi olarak adlandırılan PDMS tabanlı üretim metodolojileri, cihazların7 hızlı prototiplenmesi için ucuz bir alternatif ve karmaşık çokkatmanlı cihazlar 8 üretmek için bir yol sunar. PDMS cihazlarına valflerin ve pompaların eklenmesi, 9,10 cihazlarındaki sıvıların yönlendirilmesini ve hızını kontrol etme yeteneği sağlar. Mikro valfleri geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz bir şekilde tasarlamak ve harekete geçirmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir – örneğin, termal olarak çalıştırılan11 silikon ve alüminyumdan yapılmış bimetalik valfler veya bir silikon nitrür membranı12 saptırmak için bir elektrokimyasal reaksiyondan üretilen gazı kullanarak. Gu ve ark. akışı düzenlemek için mikro kanallara basınç uygulamak için bir Braille ekranının mekanik pimlerinin kullanımını göstermektedir13. Popülerlik kazanan bir mikro valf seti, Stephen Quake14 grubunun öncülük ettiği pnömatik PDMS tabanlı valflerdir. Tipik olarak, bu tür valfler iki ortogonal mikro kanaldan oluşur – bir akış kanalı ve bir kontrol kanalı. Kontrol kanalının basınçlandırılması üzerine, ince bir PDMS membranı akış kanalına sapar, onu kapatır ve böylece sıvı akışını kesintiye uğratır. Basıncı düşürüldükten sonra, membran gevşer, böylece akış kanalını açar ve sıvı akışının yeniden başlamasına izin verir. PDMS valfleri böylece sağlam ve geri dönüşümlü bir şekilde akış regülasyonuna izin verir, çünkü kontrol kanalı birden çok kez basınçlandırılabilir ve basınçsız hale getirilebilir15. Ek olarak, bu tür valfler basınç uygulanarak harekete geçirilebildiğinden, dijital kontrol ve otomasyon için yollar açarlar16. Ayrıca, aynı malzemeden oldukları için, yumuşak litografi teknikleri 8,17,18 kullanılarak PDMS tabanlı cihazların imalatına sorunsuz bir şekilde entegre edilebilirler. Bu özellikler, PDMS valflerini mikroakışkan cihazlarda akış regülasyonu için çekici bir seçim haline getirir. Thorsen ve ark. yirmi kontrol kanalı ile yaklaşık bin giriş akış kanalını ele almak için bir akışkan çoklayıcı – bir pnömatik valf dizisi – tasarlamak için bu tür valflerin prensibini kullandı19. Bu ilke, sıvıları çip içi mikroakışkan kemostatlara seçici olarak yönlendirmek için genişletilmiştir, böylece her reaktörde 20,21,22,23 aynı anda benzersiz reaksiyonlar gerçekleştirilebilir. Bununla birlikte, bu tür mikro reaktörler, sınırlı reaktiflerin kullanımını optimize etmede yararlı olsa da, çoklu reaksiyonları paralelleştiremez ve yüksek verimli çalışmalar için yeterli değildir.
Damlacık mikroakışkanları, mikroakışkan cihazlarda karışmayan, çok fazlı sıvı akışının manipülasyonu yoluyla damlacıkların üretimini içeren bir mikroakışkan alt kategorisidir24. Damlacık oluşumu, karışmayan bir sıvının eklenmesiyle sürekli bir sıvının parçalanmasını içerir, bu da arayüzey enerjisindeki kararsızlık ve bir emülsiyon oluşumu nedeniyle bir sıkışma ile sonuçlanır25. Yüzey aktif maddeler, arayüzey enerjilerini stabilize ederek emülsiyonlar mikrokanaldan ayrıldığında yuvarlak damlacıkların oluşumuna yardımcı olur26. Tıkaç adı verilen daha büyük damlacıklar daha az kararlıdır ve her iki tarafta bir veya daha fazla karışmayan sıvı ile aralıklı bir dizi sulu bölme olarak bir tutma bölmesinde (bir boru uzunluğu gibi) toplanabilir27. Minyatürleştirme ve bölümlere ayırmaya ek olarak, damlacık mikroakışkanları, her biri bir nanoreaktör28 görevi gören çok sayıda monodispers damlacık üretilebildiğinden, biyolojik reaksiyonların artan verimini de sunar. Damlacıklar, bir kez üretildikten sonra,bölme 29,30, füzyon31,32, sıralama33,34 ve daha yüksek dereceli yapılarabirleştirme 35,36 gibi daha ileri manipülasyonlara da tabi tutulabilir. Damlacık mikroakışkanları, PCR37’den tek hücreli transkriptomiklere38, ilaç keşfinden 39,40’a kadar virolojiye 41’e, yeni nesil dizilemeden 42’ten kimyasal senteze43’e kadar birçok bilimsel alanda ve teknolojide devrim yarattı.
PDMS tabanlı yumuşak litografi ve mikro valflerin damlacık teknolojisi ile entegrasyonu, mikro kanallardaki sıvı akışının düzenlenmesine ve ardından damlacık içerikleri üzerinde kontrole izin veren güçlü bir kombinasyondur. Kanalların açılıp kapanmasına bağlı olarak, her biri belirli bir bileşime sahip farklı damlacık popülasyonları üretmek mümkündür. Böyle bir platform, biyokimyasal reaksiyonları minyatürleştirebilir, bölümlere ayırabilir ve paralelleştirebilir ve bu nedenle kombinatoryal tarama için yararlı bir teknik olabilir44. Kombinatoryal tarama, bilinen bileşime sahip bireysel popülasyonlardan oluşan kütüphaneler üretmek için seçilen reaktiflerin on binlerce kombinasyonunu oluşturmak için yüksek verimli bir yöntemdir. Bakteriyel büyüme inhibisyonu için ilaçlar ve antibiyotikler arasındaki sinerjik etkileri keşfetmek için kombinatoryal tarama kullanılmıştır45. Kanser tedavisi alanında, belirli bir hasta için anti-kanser ilaçlarının kombinasyonlarını test etmek ve böylece kişiselleştirilmiş tedaviyi ilerletmek için kombinatoryal tarama kullanılmıştır46,47. Mathur ve ark. yüksek verimli ilaç taramasında transkriptom değişikliklerini değerlendirmek için kombinatoryal bir DNA barkodlama yaklaşımını entegre ederek bu teknolojiyi geliştirmişlerdir48. Bu nedenle, kombinatoryal tarama güçlü ancak yeni ortaya çıkan bir teknolojidir ve bu tür tarama prosedürlerini yürütmek ve kolaylaştırmak için çeşitli mikroakışkan teknolojilerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır.
Bu el yazmasının amacı, yağda su tapalarının kombinatoryal bir kütüphanesi oluşturabilen iki katmanlı bir mikroakışkan cihazın üretimi için eksiksiz bir protokol seti sunmak ve böyle bir cihazın çalışması için gereken donanım ve yazılımı tanımlamaktır. Sıvı akışı, basınç kontrollü PDMS tabanlı pnömatik valfler kullanılarak düzenlenir ve bunlar da özel bir LabVIEW programı tarafından kontrol edilir. Cihazdaki reaktiflerin akışı, piyasada bulunan basınç pompaları kullanılarak sağlanır. Her biri sulu bir reaktif içeren üç girişin içeriğinden bir tapanın oluşturulduğu sekiz girişli bir prototip sunulmaktadır. Sulu faz, sürekli bir yağ fazı ile buluşur ve tapalar, 0.33 Hz frekanslı bir T-bağlantısında üretilir. Sistemin işleyişi, üç farklı floresan tıkaç popülasyonu içeren nicel bir kütüphane üretilerek gösterilmiştir. Bu teknoloji ve protokol seti, yüksek verimli tarama amaçları için kombinatoryal kütüphanelerin üretimini hızlandırmaya yardımcı olacaktır.
Bu yazıda, tapa adı verilen yağda su bölmelerinde kombinatoryal kitaplıkların otomatik olarak oluşturulması için PDMS tabanlı bir mikroakışkan cihazın üretimi ve çalıştırılması için bir dizi protokol sunulmuştur. Mikroakışkanların damlacık teknolojisi ile kombinasyonu, küçük miktarda reaktifi çok sayıda bölmede kapsüllemek için güçlü bir teknik sağlar, bu nedenle büyük ölçekli kombinatoryal tarama için yollar açar.
Daha önce, her biri kendi avantajları ve sınırlamaları olan mikroakışkanlar kullanarak kimyasal olarak farklı bölmeler oluşturmak için çeşitli teknolojiler tanımlanmıştır. Kulesa ve ark.50, mikrotitre plakaları kullanarak damlacıklar halinde barkodlu hücreleri kapsüllemek ve bu damlacıkları bir elektrik alanı kullanarak birleştirerek bir kombinatoryal kütüphane oluşturmak için bir strateji tanımladı. Böyle bir yaklaşım çok sayıda damlacık kombinasyonu oluşturabilse de, iş akışında manuel işleme adımlarına duyulan ihtiyaçla sınırlıdır. Tomasi ve ark.51 , sferoid (serbest yüzen hücre agregaları) içeren bir damlacığı bir uyaran damlacığı ile birleştirmek için bir mikroakışkan platform geliştirdi ve böylece küresel mikro çevrenin manipülasyonuna izin verdi. Bu yöntem, hücre-hücre etkileşimleri ve ilaçların etkisi gibi önemli olayların incelenmesine izin verir, ancak nispeten düşük verimdir. Eduati ve ark.46 ve Utharala ve ark.47 , otomatik bir şekilde yüksek verimli kombinatoryal kütüphaneler oluşturabilen mikroakışkan valf tabanlı bir platform geliştirdi. Bununla birlikte, bu çalışmalarda, valfler bir Braille cihazı kullanılarak çalıştırılır, bu da mikrovalf ile mikroakışkan çip arasında hantal hizalama adımları gerektirir. Bu belgede açıklanan sistemin önemli bir özelliği, giriş kanallarındaki sıvı akışını düzenlemek için pnömatik PDMS valflerinin uygulanmasıdır. Bu valfler PDMS tabanlı olduğundan, mikroakışkan çipin üretim adımlarına oldukça sorunsuz bir şekilde dahil edilebilirler. Ek olarak, harici bir gaz kaynağı aracılığıyla basınç uygulanarak harekete geçirilebildiklerinden, giriş kanallarındaki sıvıların akışını kontrol etmek için nispeten basit bir seçenektir. Son olarak, bu valflerin basınçlandırma ve basınçsızlaştırma süresi ve sırası programlanabilir, böylece farklı tapa popülasyonlarının üretimi yüksek verimli bir şekilde otomatikleştirilebilir. Bir diğer önemli özellik, reaktiflerin girişten enjeksiyonu için sabit basınç rejimlerinin kullanılmasıdır, bu da sabit bir akış hızı rejiminde ortaya çıkan herhangi bir basınç birikimini hafifletmek için atık kanallarının dahil edilmesinden vazgeçilmesine izin verir. Bu, cihaz tasarımını basitleştirir, atık kanalının valflerini kontrol etmek için ek valf ve donanım ihtiyacını azaltır ve reaktif israfını en aza indirir.
PDMS’li cihazların imalatı nispeten basit olsa da, bu tür cihazların uygulanması, pnömatik solenoid valfler (PDMS valflerinin çalıştırılmasını kontrol etmek için), basınç pompaları (giriş ve yağ reaktiflerinin akışını kontrol etmek için) ve yazılım programları (solenoid valfleri düzenlemek için) gibi kapsamlı donanım gereçlerinin kullanılmasını gerektirir. Önemli bir yatırımı temsil etseler de, böyle bir kurulum, cihazın başarılı bir şekilde çalışması için tutarlılık ve güvenilirlik sağlar. Ek olarak, bu protokolde özetlenen donanım bileşenleri ve mimarisi modüler bir şekilde kurulur. Bu nedenle, bazı modüller için maliyetleri azaltmak veya belirli bir ihtiyaca göre uyarlamak için alternatifler kullanılabilir. Örneğin, fayda, bütçe, kullanılabilirlik ve rahatlığa dayalı olarak kullanılabilecek çeşitli pompalar vardır 52,53,54. Hassas giriş reaktifleri23 için sıvı rezervuarları ve sıcaklık regülatörleri gibi ek bileşenler dahil edilebilir. Ayrıca, bu tasarım belirli bilimsel ihtiyaçları karşılamak için büyütülebilir veya küçültülebilir. Örneğin, bu yazıda, tapa üretmek için sekiz benzersiz reaktifin birleştirilmesine izin veren sekiz girişli bir prototip açıklanmaktadır. Bu, daha fazla sayıda girişe ve bunların daha büyük kombinasyonlarına izin veren 16 girişli bir cihaza yükseltilebilir. Sonuç olarak, girişleri ele almak için ekstra kontrol kanallarına ve solenoid valflere ihtiyaç duyacaktır, ancak böyle bir prototip, daha büyük ve daha çeşitli kombinatoryal kütüphanelerin oluşturulmasına izin verir. Son olarak, bu yazıda, her bir tıkaç popülasyonu, mikroakışkan cihazın sekiz sulu girişinden üçünün açılmasıyla üretilir. Böyle bir konfigürasyon için, yağ reaktifleri için yaklaşık 200 mbar ve sulu reaktifler için 400 mbar’lık bir basıncın, yalnızca valf aktivasyonu ile yönlendirilen bir tapa üretim rejimine karşılık geldiği gözlenmiştir. Yağ(lar)a daha yüksek basınçlar uygulandığında, bujilerin kopması gözlendi ve daha düşük basınçların uygulanması, bujilerin kaynaşmasına yol açtı. Tapa üretimi için en uygun basınç rejimi, bir tapa oluşumuna katkıda bulunan girişlerin sayısı, sıvıların doğası ve viskozitesi ve kanalların boyutları gibi çok çeşitli faktörlere bağlıdır ve gerektiğinde ve gerektiğinde optimize edilmelidir.
Sabit basınç rejiminde çalışmanın dezavantajlarından biri, farklı viskozitelere sahip sıvıların sabit basınç altında farklı akış hızlarına sahip olmasıdır. Bu nedenle, girişlerden akan sulu reaktiflerin karşılaştırılabilir viskozitelerde olduğundan emin olunmalıdır. Farklı viskozitelerdeki sıvıların kullanılması, yalnızca giriş kanallarındaki sıvı akışını değil, aynı zamanda T-bağlantısındaki tıkaç oluşumunu da etkileyecek ve böylece tapa popülasyonlarının bileşimini tehlikeye atacaktır. Diğer bir dezavantaj, bir tıkaç popülasyonunun T-bağlantısındaki artık reaktiflerden kirlenmesidir. Cihaz, farklı fiş popülasyonlarının üretimi arasında geçiş yaptığında, her popülasyonun dizisindeki ilk/son fiş, önceki veya sonraki popülasyon tarafından kontamine olma eğilimindedir. Bu, her popülasyonun ekstra kopyalarını üreterek ve analiz sırasında kontamine fişi indirgeyerek üstesinden gelinebilir. Son olarak, fabrikasyon ve/veya dış kaynaklardaki tutarsızlıklardan (basınç dalgalanmaları) kaynaklanan bireysel cihazlar arasında farklılık potansiyeli de vardır. Bu sorun, tek bir mikroakışkan çipin birden çok kez yeniden kullanılmasıyla ve bu tutarsızlıkların etkisini en aza indirmek için tek bir çip üzerinde bir kombinatoryal kitaplığın tam çalışmasının gerçekleştirilmesini sağlayarak azaltılabilir.
Bu yazıda sunulan mikroakışkan cihaz ve beraberindeki operasyonel protokoller seti, kantitatif bir kombinatoryal fiş kütüphanesinin üretimini göstermek için kullanılmıştır. Bu nedenle bu platform, yüksek verimli bir şekilde farklı fiş popülasyonlarının kombinatoryal kitaplıklarını hızlı bir şekilde oluşturabilir. Sonuç olarak, bu tür teknolojiler, hasta biyopsi numuneleri üzerinde kombinatoryal ilaç taraması dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli tarama amaçları için kullanılabilir – bu sayede bir biyopsiden alınan az sayıda hücre çok sayıda damlacık halinde dağıtılabilir ve belirli bir hasta numunesi için bireysel tedaviyi optimize etmek için büyük bir anti-kanser ilacı kombinasyonu ile tedavi edilebilir – ve bu nedenle kişiselleştirilmiş kanser tedavisini hızlandırır46, 48,55.
The authors have nothing to disclose.
HMDS buhar biriktirme konusundaki yardımı için NanoLab TuE’den Stacey Martina’ya teşekkür ederiz. Bu araştırma, TU/e’deki Karmaşık Moleküler Sistemler Enstitüsü (ICMS) ve Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO) Yerçekimi programı IMAGINE tarafından finanse edildi! (Proje numarası 24.005.009).
1,1,3,3 tetramethyldisiloxane | Merck Life Science NV | MFCD00008256 | |
4 channel digital input/output module | WAGO Kontakttechnik GmbH | 750-504 | |
Acetone | Boom Labs | BOOMSKEUZW3 | |
Analysis Software | Eindhoven University of Technology | https://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE | |
AZ 40XT 11D | Merck Life Science NV | 212299 | Positive photoresist |
AZ 726 MIF developer | Merck Life Science NV | 10055824960 | Developer for positive photoresist |
Biopsy Punch, Rapid Core | World Precision Instruments Germany, GMBH | 504529 | 0.75 mm ID, W/Plunge |
Blue food dye | PME | FC1036 | |
Controller end module | WAGO Kontakttechnik GmbH | 750-600 | |
Ethernet Controller | WAGO Kontakttechnik GmbH | 750-881 | |
FC-40 | Merck Millipore | F9755-100ML | |
Fluigent flow unit | Fluigent | FLU-S-D | |
Fluigent pressure system | Fluigent | MFCS-EZ | 0 – 2 bar |
Fluorescein | Merck Life Science NV | MFCD00005050 | |
Hot plate | Torrey Pines Scientific | HP61 | |
Inverted microscope | Nikon Instruments | Eclipse Ti-E | |
Isopropanol | Boom Labs | BOOMSKEUZE3 | |
LabVIEW (Software Version 20) | Eindhoven University of Technology | https://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE/tree/main/LabVIEW_8_inlet_device_ VERSION_1 |
All files have been saved for LabVIEW version 20. It is advised to use this version or higher to open the files. |
Luer stubs | Instech Laboratories, Inc. | LS23 | 23 ga, 0.5" |
Male Luer to barb connectors | Cole Parmer | 45505-32 | 3/32" ID |
MasterFlex PTFE tubing | Avator/VWR | 48634 | |
Microscope Slides | VWR | 470150-480 | |
Microscope slides, Plain | Corning | 2947-75X50 | |
Mineral Oil | Merck Millipore | 330760-1L | |
mr DEV 600 | Micro resist Technology | R815100 | Developer for negative photoresist |
Oven | Thermo Scientific | Heraeus T6P 50045757 | |
Oxygen plasma asher | Quorum Technologies | K1050X | |
Photomask | CAD/Art Services, Inc. | ||
Photomask Design | Eindhoven University of Technology (Adapted from Merten Lab, EPFL) | https://github.com/SysBioOncology/BilayerMicrofluidicsAnalysis_JoVE/blob/main/8_inlet_JoVE_device_design.dwg | |
Pneumatic valve array | FESTO | 1x 8 valve array, Normally closed valves | |
Silicon Wafers | Silicon Materials | <1-0-0>, 100 mm diameter, 525 μm thickness | |
Single edge blades | GEM Scientific | ||
Soft tubing | Fluigent | 1 mm ID, 3 mm OD | |
Spin coater | Laurell Technologies Corporation | WS-650MZ-23NPPB | |
Stereo microscope | Olympus Corporation | SZ61 | |
SU-8 3050 | Kayakli Advanced Materials | Y311075 1000L1GL | Negative photoresist |
Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit (PDMS) | Dow | 1317318 | |
Syringe | B Braun Injekt – F Fine Dosage Syringe | 10303002 | |
UV-LED exposure system | Idonus | UV-EXP150S-SYS | |
Vacuum pump | Vacuumbrand GmbH | MD1C | |
Weighing scales | Sartorius | M-prove |