蒙特利爾工學(xué)院(Polytechnique Montréal)的教授Thomas Gervais和他的學(xué)生Pierre-Alexandre Goyette和étienne Boulais,與麥吉爾大學(xué)(McGill University)David Juncker教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊合作開發(fā)了一種新型微流控工藝,旨在通過抗體自動檢測蛋白質(zhì)。這項發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上的工作,指出了新型便攜式儀器的出現(xiàn),加速了生物實驗室的篩選過程和分子分析,以加快癌癥生物學(xué)的研究。
從傳統(tǒng)微流控到開放式微流控
微流控指微尺度裝置中的流體操縱。通常被稱為“芯片實驗室”,微流控系統(tǒng)被用于研究和分析非常小規(guī)模的化學(xué)或生物樣品,取代用于傳統(tǒng)生物分析的極其昂貴且繁瑣的儀器。麻省理工技術(shù)評論在2001年將其列入“10大改變世界的新興技術(shù)”,微流控技術(shù)被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的革命,就像微處理器之于電子和IT市場,微流控技術(shù)適用于更大的市場。
如今,這個仍然年輕的學(xué)科,在2000年代以微通道網(wǎng)絡(luò)組成的封閉系統(tǒng)開始起飛,蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員的發(fā)現(xiàn)正在革新這項技術(shù),加強(qiáng)了開放空間微流控技術(shù)的理論和實驗基礎(chǔ)。
這種消除通道的微流控技術(shù)與用于特定類型分析的傳統(tǒng)微流控技術(shù)相比更具競爭優(yōu)勢。實際上,閉合通道微流控裝置的經(jīng)典配置存在若干缺點:通道橫截面的規(guī)模增加了細(xì)胞在培養(yǎng)時所經(jīng)受的壓力,它們與細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)皿不兼容,使得該行業(yè)很難采用傳統(tǒng)微流控技術(shù)。
蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員探索出來的新方法基于微流控多極(microfluidic multipoles, MFMs),這是一種通過非常小表面上相對的微開口同步流體抽吸的系統(tǒng),該表面被放置在厚度小于1毫米的有限空間內(nèi)。Gervais教授表示,“當(dāng)它們彼此接觸時,這些流體噴射形成的圖案可以通過化學(xué)試劑染色被看到。我們希望在開發(fā)可靠的微流控多極建模方法的同時,能夠理解這些圖案?!?/p>
優(yōu)雅的視覺對稱讓人聯(lián)想到藝術(shù)家M. C. Escher的作品
為了理解這些圖案,Gervais教授的團(tuán)隊必須為開放的多極流開發(fā)一種新的數(shù)學(xué)模型。該模型基于被稱為共形映射的經(jīng)典數(shù)學(xué)分支,通過將其簡化為更簡單的幾何圖形來解決與復(fù)雜幾何圖形相關(guān)的問題(反之亦然)。
博士生étienne Boulais首先開發(fā)出一款在多流體偶極子中研究微噴射碰撞(只有兩個開口的微流控多極)的模型,然后,依靠這個數(shù)學(xué)理論,推測擁有多個開口的微流控多極模型。他解釋道,“我們可以用象棋游戲進(jìn)行類比,這其中有4名玩家的版本,然后是6名玩家或8名玩家,在保持相同游戲規(guī)則的同時應(yīng)用空間變形技術(shù)?!?/p>
這位對視覺藝術(shù)充滿熱情的年輕研究員補(bǔ)充道,“當(dāng)進(jìn)行共形映射時,由流體噴射碰撞產(chǎn)生的圖案形成對稱圖像,使人聯(lián)想到荷蘭藝術(shù)繪畫家M.C. Escher,但是遠(yuǎn)超其美學(xué)吸引力,我們的模型允許我們描述分子在流體中移動的速度及其濃度。我們?yōu)樽疃?2個極點的所有可能系統(tǒng)配置定義了有效規(guī)則,以生成各種流體和擴(kuò)散模式?!?/p>
因此,該方法是一套完整的工具集,不僅可以模制并解釋微流控多極中出現(xiàn)的現(xiàn)象,還可以探索新的配置。歸功于這種方法,現(xiàn)在可以實現(xiàn)自動化開放式微流控測試,在此之前,對這種測試的探索只能通過反復(fù)試驗。
使用3D打印制造該裝置
微流控多極裝置的設(shè)計和制造由Pierre-Alexandre Goyette完成。該裝置是一種由樹脂制成的小型探頭,采用低成本3D打印工藝,并將其連接到泵和噴射器系統(tǒng)。
生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的博士生指出,“Juncker教授團(tuán)隊用固定在表面上的抗體檢測蛋白質(zhì)方面的專業(yè)知識,對于該項目的生物學(xué)研究具有重要意義。通過分析獲得的結(jié)果驗證了我的同事étienne所開發(fā)模型的準(zhǔn)確性。”
該裝置允許同時使用多種試劑檢測同一樣品中的各種分子,為生物學(xué)家節(jié)省了寶貴的時間。針對特定類型的測試,分析時間可以從幾天減少到幾小時,甚至是幾分鐘。此外,該技術(shù)的多功能性使其適用于多種分析過程,包括免疫學(xué)和DNA測試。
朝著微流控顯示器發(fā)展?
Gervais教授的團(tuán)隊已經(jīng)在考慮其項目的下一步發(fā)展計劃:開發(fā)一款能夠顯示化學(xué)成像的屏幕。
Gervais教授解釋道,“它將成為液晶顯示器的一種化學(xué)等價物,就像我們在屏幕上移動電子一樣,我們會發(fā)送各種濃度的流體噴射,這些流體會與表面發(fā)生反應(yīng)。它們將共同形成一個圖像。能夠推進(jìn)這個項目令我們感到很高興,同時我們也已經(jīng)獲得了一項臨時專利申請?!?/p>
重新制定診斷程序和醫(yī)療后續(xù)行動
目前,該研究團(tuán)隊開發(fā)的技術(shù)主要針對基礎(chǔ)研究市場。Gervais教授指出,“我們的工藝可以同時將細(xì)胞暴露于多種試劑,能夠幫助生物學(xué)家大規(guī)模研究蛋白質(zhì)和試劑之間的相互作用,增加分析過程中獲得的信息數(shù)量和質(zhì)量。”
他隨后解釋道,制藥市場也將受益于這一發(fā)現(xiàn)所帶來的自動化篩選系統(tǒng)新方法。最后,它通過促進(jìn)患者細(xì)胞培養(yǎng)和各種藥物實驗來確定哪些藥物對患者最有效,從而為藥物開發(fā)開辟了一條新途徑。
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