IEEE MEMS2025 | 芯片上细胞聚集体分离作为单细胞分析的创新方法

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引言

& i0 Y* s* [( P1 R# u  Z- Q; ?0 K近年来，细胞聚集体（如类器官和球状体）已经成为研究组织和器官特性的重要工具。这些三维细胞结构比传统的细胞培养方法更能体现实际组织的复杂性。然而，为了全面理解这些聚集体中单个细胞的行为，研究人员需要有效的方法将聚集体分离成单个细胞，同时保持细胞的活性。本文探讨一种创新的微流控方法来解决这个挑战[1]。
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  J5 M# z" p6 F7 n2 e) u细胞聚集体分析的挑战
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传统的细胞聚集体分离方法，如使用细胞过滤器，在处理小体积样品和中等流速条件下存在局限性。主要挑战在于开发能够在流速低于1000微升/分钟的条件下有效处理样品，同时保持与下游分析平台兼容的技术。现有方法在处理紧密形成的聚集体时，往往难以实现一致的分离效果，同时还要确保细胞存活率。
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( @) `! }' q9 V1 V, \- C0 S图1：芯片上细胞聚集体分离过程的总体示意图。该设计包含一个具有收缩通道的特制微流控芯片，通过控制流体动力学实现细胞分离。
4 @, H4 {" O9 G, ~创新的微流控设计

该方法的核心是一个特殊设计的管状微流控芯片，包含十个收缩通道。这种设计通过产生受控流体力来帮助将细胞聚集体分离成单个细胞。系统利用鞘流技术，有效地将细胞对准并通过微通道中心进行处理。收缩通道经过精心设计，能产生精确的流速波动，类似于微流控细胞对准技术中使用的原理。
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图2：微流控芯片设计和性能分析的详细展示。图像显示了(a)不同通道配置的制作芯片，(b)传统移液法的结果，以及(c)在不同流动条件下单细胞产率的比较分析。
性能和效率

在使用500微米MDA-MB-231乳腺癌细胞球状体进行测试时，该系统展现出显着的效率。通过详细分析发现，微流控方法实现了超过87%的单细胞产率，远超传统移液方法即使在重复15次后也仅能达到约50%的分离效果。这种优异的性能源于器件内部流体动力学的精密配合。
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, {0 c& y( Q: U# `; S4 r系统的有效性来自多个参数的精确优化。窄通道中的剪切应力提供了聚集体初始分离力，而通过收缩通道重复施加的受控流体力确保了彻底分离。细胞在器件中的停留时间经过优化，既能确保完全处理又不会影响细胞活性。这些因素的组合创造了温和而有效的细胞分离环境。

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, _' C0 |% q# P% u% b; S+ X  ~' N图3：展示了细胞聚集体分离与脂质纳米粒子(LNP)处理的整合过程。图中显示了分步过程和细胞摄取分析结果。
6 g" H, m5 u+ N: V; J4 d纳米粒子递送的高级应用
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7 Y5 T/ C; L" k该系统的功能不仅限于简单的细胞分离，还扩展到复杂的细胞工程应用。研究人员成功演示了使用该系统递送含有不同质粒DNA的脂质纳米粒子。这种整合代表了细胞处理方法的重要进展，与传统方法相比，能实现更均匀和高效的细胞处理。

处理过程首先使用LNP-A进行初始处理，然后对形成的细胞聚集体进行受控分离。分离后的细胞再进行标记LNP-B的二次处理，使研究人员能够追踪和分析细胞摄取和表达模式。这种顺序处理方法在需要多重处理或共转染的应用中表现特别有效。
' ~$ }$ l2 K  T1 W6 S( I3 I技术规格和性能指标

系统的性能特征因通道配置和流动条件而异。收缩通道设计在25-100微升/分钟的流速范围内运行最佳，能持续实现最高的单细胞产率。不同通道配置显示出不同的性能特征：1.0毫米直径的收缩通道可达到87%的单细胞产率；相同直径的标准通道在100-200微升/分钟时达到70-80%的产率；而0.5毫米直径的窄通道在各种流动条件下保持70-80%的稳定产率。
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在纳米粒子递送方面，系统能处理具有精确控制特性的LNPs。LNP-A表现出优异的稳定性，尺寸为91±9.7纳米，多分散指数为0.12±0.01，实现了98±0.5%的包封效率。类似地，LNP-B虽然尺寸略大（119±3.1纳米），但保持了良好的均一性，多分散指数为0.13±0.03，达到79±1.5%的包封效率。这些规格确保了可靠和可重复的细胞递送效果。
应用展望
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该创新方法为单细胞分析和细胞工程提供了新的研究工具。系统在保持细胞活性的同时实现高分离效率，对于研究复杂组织中单个细胞行为具有重要价值。在癌症研究、药物开发和组织工程领域中，该技术显示出独特优势。研究人员现在能够更好地理解单个细胞行为，同时保持研究细胞聚集体形式的优势。这种集体和单细胞分析的平衡，结合系统温和而有效的分离机制，标志着生物研究能力的显着提升。
- ]' t; V* N6 ~3 k参考文献
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[1] N. Kimura, S. S. Sugano, and S. Sakuma, "On-chip disassembling of cell-aggregates for seamless single-cell analysis and homogeneous treatment," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, Jan. 19-23, 2025, pp. 76-79.
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