利用水凝膠涂層實現(xiàn)硬質(zhì)微球在液滴中的超泊松分布裝載

在液滴中高效率地封裝單個功能化微球?qū)谝旱蔚?a href="http://wenjunhu.com/tags/高通/" target="_blank">高通量分析具有至關(guān)重要的作用，如單細(xì)胞基因組學(xué)和數(shù)字免疫分析。然而，由于微球在液滴中的泊松分布，這些需求一直受到限制。盡管慣性微流控等技術(shù)已經(jīng)被證明對提高微球的裝載效率有益，但仍然需要一種不依賴嚴(yán)格的流動條件或復(fù)雜的微流控設(shè)計的高效率微球裝載方法。

近期，上海科技大學(xué)劉一凡課題組與合作者一起開發(fā)了一種通過對微球進行水凝膠涂層來實現(xiàn)其在微流控通道中的有序、緊密排列及液滴裝載的策略，從而將硬質(zhì)微球的裝載效率提高到80%以上。相關(guān)研究成果以“Exceeding 80% efficiency of single-beadencapsulation in microdroplets through hydrogel coating-assisted closepackedordering”為題發(fā)表在Analytical Chemistry期刊上，并被選作封面文章。

在該項研究中，研究團隊通過在硬質(zhì)微球表面覆蓋一層薄水凝膠，制備出了水凝膠包裹硬質(zhì)微球（HRBs）。這種HRBs具有軟凝膠微球的特性（如柔軟、光滑和可壓縮），因此可以像水凝膠微球一樣在微流控通道中有序、緊密排列，并以高效率封裝進入液滴，實現(xiàn)液滴中超泊松分布硬質(zhì)微球裝載。

圖1 通過水凝膠涂層輔助排列從而實現(xiàn)液滴中高效率微球裝載示意圖：傳統(tǒng)硬質(zhì)微球包裹進入液滴時服從泊松分布，導(dǎo)致大量空液滴。HRBs由于其能夠在微流控通道中有序、緊密排列進入液滴，從而能夠?qū)崿F(xiàn)微球的高效率超泊松分布裝載

研究人員采用噴射微流控（jetting microfluidics）和渦旋乳化（Vortex emulsification）兩種方法來制備HRBs，其中噴射微流控制備的HRBs具有更高的均一性，同時噴射能夠降低一個液滴中包含兩個或更多微球的比例。渦旋乳化制備HRBs的優(yōu)勢在于操作簡單、通量高，容易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但其缺點是會產(chǎn)生較高比例的單液滴中多微球包裹的情況。

圖2 HRBs的制備與表征：（a）通過噴射微流控和渦旋乳化制備HRBs的示意圖；（b）噴射微流控芯片中液滴生成由滴落到噴射的轉(zhuǎn)化；（c）兩種方法制備的含微球的液滴和相應(yīng)的HRBs；（d）噴射微流控制備的含微球的液滴以及相應(yīng)的HRBs的粒徑分布；（e）噴射微流控能夠?qū)⒄掣轿⑶蚍稚㈤_，從而減少液滴中多個微球包裹的概率；（f）兩種方法制備的HRBs的雙包率統(tǒng)計；（g）兩種方法制備HRBs的通量比較

在成功制備好HRBs之后，研究人員將其通入設(shè)計好的含有兩個十字通道的微流控芯片中測試微球的高效率裝載。實驗結(jié)果表明微球能夠在芯片上有序、緊密排列，并以高效率的方式，隨液滴生成同步包裹進入液滴中，并能夠?qū)崿F(xiàn)約81%的裝載效率。

圖3 HRBs高效率裝載進入液滴中：（a）微流控芯片設(shè)計模式圖；（b）噴射微流控和渦旋乳化兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴后的明場圖片，其中黃色為單微球裝載液滴，綠色為多微球裝載液滴；（c）兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴后的液滴直徑統(tǒng)計；（d）兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴的效率比較；（e）噴射微流控制備的HRBs裝載進入液滴的情況與泊松分布比較；（f）該工作微球裝載效率和一些現(xiàn)有技術(shù)進行比較

在驗證了HRBs的高效率封裝之后，研究人員嘗試將HRBs和單細(xì)胞共同封裝，并進行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析。其中用于制備HRBs的硬質(zhì)微球為含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq3微球。研究結(jié)果表明，基于Drop-seq微球制備的HRBs能夠與細(xì)胞高效率配對，同時測序結(jié)果也表明，利用HRBs進行的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)質(zhì)量與傳統(tǒng)Drop-seq微球相當(dāng)。

圖4 水凝膠包裹Drop-seq微球和細(xì)胞進行液滴中高效率配對：（a）含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq微球制備成HRBs模式圖；（b）裸露的Drop-seq微球和對應(yīng)的制備成的HRBs的明場圖及相應(yīng)直徑分布；（c）HRBs和細(xì)胞共同包裹進入液滴的示意圖；（d）HRBs和細(xì)胞共同包裹進入液滴的結(jié)果圖；（e）HRBs和細(xì)胞共同包裹進入液滴后包裹比例統(tǒng)計；（f）該工作的細(xì)胞捕獲效率和幾個代表性的單細(xì)胞測序進行比較；（g）裸露的Drop-seq微球和相應(yīng)的HRBs分別對HEK293T細(xì)胞進行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析統(tǒng)計

綜上所述，該研究介紹了一種利用水凝膠涂層輔助的高效率超泊松分布微球裝載策略。在實驗中，微球的最高裝載效率能達到80%，超過了傳統(tǒng)泊松分布以及現(xiàn)有的基于慣性微流控超泊松分布的方法。此外，微球和細(xì)胞共包裹實驗表明使用該策略能夠顯著增加細(xì)胞-微球配對效率，并進行高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析。

這項工作得到了國家重點研究與發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金和上海市科學(xué)技術(shù)委員會等的支持。中科院上海高等研究院博士研究生陳龍、趙毅博士和上?？萍即髮W(xué)博士研究生李婕為共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)劉一凡教授、上海微系統(tǒng)所宓現(xiàn)強教授和復(fù)旦大學(xué)張經(jīng)緯教授為共同通訊作者。

審核編輯：劉清