微流体技术，探讨细胞变形
September 3rd, 2014
我们展示了一个微流体为基础的检测通过微米级的收缩序列来测量时间刻度为细胞转运。
以下实验的总体目标是使用基于微流体的简单测定法研究不同细胞类型的变形能力。这是通过制造聚二甲基 suboxane 或 PDMS 微流控装置来探测细胞通过一系列微米级收缩传输的时间尺度来实现的，然后使用压力驱动的流动来驱动细胞通过其微流控通道，从而能够分析单个细胞的变形和时间依赖性弛豫。接下来，运行自动图像分析程序以处理视频并获得传播时间数据的直方图。
结果表明，不同的细胞类型根据其通过一系列收缩的通过时间表现出细胞变形能力的差异。与原子力显微镜或微移液器吸液等现有技术相比，该技术的主要优点是微流体设备可以以高通量成功运行。而其他微流体设备也可用于检测细胞的可塑性。
我们设计了我们的设备，使细胞通过连续收缩，这是肺毛细血管床等生理环境中常见的几何形状。首先，通过选择收缩阵列通道的宽度约为平均细胞直径的 30% 至 50%，通道高度至少为细胞直径的 50% 来设计微流体装置。在入口端安装过滤器，以去除碎屑并解聚细胞簇。
在开始实验之前，使用光刻微加工的标准技术制造器件母版。使用轮廓仪验证图案特征的高度。接下来，使用一个压缩空气罐和一系列空气调节器和配件修复压力驱动流的气源。
首先设置供气罐和手动调节器。然后设置一个与手动调节器一致的电子控制压力调节器。使用在 LabVIEW 中编写的简单代码输入所需的压力。
电动气动转换器使用内部反馈回路来调整阀门出口压力，以匹配微流体装置上的指定压力。通过从标准流式细胞仪管中组装细胞悬液室和在管上形成压力密封的机加工盖，设置一个加压室以驱动细胞悬液的流动。压力室盖包含两个孔口，一个连接到压缩空气罐的入口和一个出口，细胞通过该出口从加压室流入设备。
接下来，设置一个装有相机的倒置显微镜，其采集速率至少为每秒 100 帧。为了捕获流经收缩阵列的细胞的图像，然后在磷酸盐缓冲盐水或 PBS 中制备表面活性剂储备液，因为向细胞培养基溶液中添加少量表面活性剂将有助于最大限度地减少细胞对 PDMS 壁的粘附。要制造具有微流体通道的 PDMS 模块，请在 10 克 PDMS 基础中加入 1 克固化剂并充分混合。
将混合物倒在设备上。将德加母料放入钟罩中，并施加真空，直到截留的气泡消失，或持续约 10 至 20 分钟。在此时间之后，AIR PDMS 界面处可能仍有气泡，这是正常的。
这些通常会在烘烤过程中消散。然后在设备冷却后，将 Degas 设备在 65 摄氏度下烘烤 4 小时。从母模中取出微流体装置。
首先轻轻提起设备的一个角。缓慢而温和的剥离，而不是提起 PD DMS 模块笔直向上减少了 PDMS 和主站的压力 用剃须刀片从 PDMS 模块中切下单个微流体设备，然后从主站上取下设备 PDMS 设备上的打孔，以创建连接端口，用于管道和微通道之间的访问。使用活检打孔器从通道侧到设备的外侧打孔。
用异丙醇冲洗 PDMS 装置，以去除灰尘并积匿 PDMS 块。通过将挤压瓶中源源不断的纯异丙醇流引导穿过孔，确保打孔中没有碎屑。用过滤后的空气吹干。
用甲醇冲洗清洁玻璃基板。然后用过滤后的空气吹干，并放在 200 摄氏度的热板上 5 到 10 分钟，以确保玻璃在等离子处理前完全清洁和干燥。如文本协议中所述，在显微镜下检查微流体装置。
确保通道没有折叠或损坏，并且入口和出口孔都使用低功耗物镜直接连接到器件通道。将细胞悬液放入流式细胞仪管中并连接到压力帽，然后将管连接到微流体装置，将压力调节至约 14 至 21 千帕并冲洗，直到细胞悬液从管尖流出。接下来，将设备放在平坦的表面上，将管路插入设备入口。
由于粘合到 PDMS 设备底部的玻璃盖板很脆弱。将含有细胞悬液的管子尖端插入设备入口。然后将一根管子插入出口，并将其插入空管中以收集废液，例如用胶带粘在显微镜载物台侧面的空 Falcon 管。
轻轻将压力升高至约 28 千帕，或直到细胞流过通道。放置设备，使多个通道位于视野中并垂直于屏幕底部。要开始数据分析，请打开主脚本 m 文件并运行该程序。
从出现的 Windows 资源管理器窗口中选择要分析的第一个视频。指定所选视频的帧速率，然后按 Enter。将出现一个图形，提示用户选择矩形裁剪窗口。
对于第一个视频，选择一个窗口，该窗口从左到右包含所有通道，并与通道数组的第一个灯泡正上方的通道相交。在顶部和底部，从裁剪的图像中选择收缩区域。该算法显示每个视频前 50 帧的单元格分段。
密切监视左上角的图像，以确定算法是否准确定位单元格。化后的图像将叠加在源视频上。要演示已识别单元格的位置，请从 Windows 资源管理器窗口中选择要处理的下一个视频。
该算法将重复。对于选定的每个视频，选择 cancel （取消）。通过 Windows 资源管理器窗口添加所有所需的视频以指示视频列表已完成的功能后，HL 60 和中性粒细胞型 HL 60 细胞的通过时间的代表性结果显示了单个细胞通过一系列收缩通过的时间尺度。
在一系列的 7 次收缩中，测量每 7 微米收缩处单个细胞群的时间。在 28 千帕斯卡的驱动压力下，HL 60 个细胞暂时封闭第一次收缩，中位时间为 9.3 毫秒，然后通过随后的收缩进行包装。相比之下，中性粒细胞 HL 60 型细胞在包装前仅封闭了第一次收缩 4.3 毫秒。
一旦通过第一个收缩细胞，通过其余收缩细胞的速度会更快，从 2 到 7，HL 60 细胞的中位传输时间为 4.0 毫秒，中性粒细胞类型的细胞为 3.3 毫秒。通过比较细胞群之间的传输时间，可以揭示细胞信息性的差异。观看此视频后，您应该对如何使用简单的微流控检测来测量不同细胞类型的变形能力有很好的了解。
在这里，压力驱动流用于驱动细胞通过微流体通道，从而能够测定单个细胞的变形和松弛。
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概述
本研究利用基于微流控的测定方法，调查了各种细胞类型的可变形性。该测定方法测量细胞在一系列微米级收缩中的通过时间，为细胞在压力驱动流动下的行为提供了见解。
研究的关键组成部分
科学领域
- 细胞生物学
- 微流控
- 生物力学
背景
- 细胞的可变形性对于各种生理过程至关重要。
- 现有的细胞可变形性测量技术在吞吐量方面存在局限性。
- 微流控设备为此类测定提供了一种高吞吐量的替代方案。
- 本研究利用PDMS微流控设备来提高测量精度。
研究目的
- 评估不同细胞类型的可变形性。
- 测量细胞通过收缩的时间。
- 比较微流控测定与传统方法的性能。
使用的方法
- 制造PDMS微流控设备。
- 压力驱动流动以推动细胞通过通道。
- 自动图像分析处理视频数据。
- 通过时间数据的直方图分析。
主要结果
- 不同的细胞类型表现出不同水平的可变形性。
- 通过时间与细胞类型和可变形性相关。
- 微流控测定显示出高吞吐量的能力。
- 该方法优于传统技术如原子力显微镜。
结论
- 基于微流控的测定方法对于测量细胞可变形性是有效的。
- 结果表明，基于细胞类型的细胞行为存在显著差异。
- 这种方法可以增强我们对细胞力学在各种情况下的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
This microfluidic technique enables high-throughput assessment of cell deformability, a key biophysical property linked to cell function and disease state. By quantifying transit times through micron-scale constrictions, it provides mechanistic insights into cytoskeletal dynamics and membrane mechanics. The method supports early discovery workflows by offering a scalable, quantitative readout for phenotypic screening and target validation in hematologic and immuno-oncology research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by linking cytoskeletal or molecular targets to functional deformability phenotypes.
- Operational Value: Supports biological de-risking through rapid, label-free screening of compound effects on cell mechanics.
- Predictive Value: Generates quantitative, reproducible data that inform target confidence and portfolio triage decisions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces standardized, high-content datasets on single-cell mechanical responses under controlled flow conditions.
- Operational Value: Enables assay readiness with automated image analysis, reducing manual processing time and increasing throughput to ~100 cells per hour.
- Scalability: Facilitates platform reuse across cell lines and experimental conditions due to modular PDMS device design and pressure-driven flow control.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Connects molecular perturbations to functional biomechanical outputs, supporting translational biomarker discovery in leukemia and neutrophil differentiation models.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery to preclinical validation by providing a consistent, quantitative readout of cell state changes.
- Risk Mitigation: Aids in identifying mechanistically distinct cell subpopulations that may influence drug response or resistance.
Pipeline & Workflow Integration
The technique fits within the discovery continuum from target engagement to phenotypic screening, particularly in mechanobiology-focused programs. It complements genomic and proteomic approaches by adding a functional, biomechanical layer to cell characterization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by measuring how genetic or pharmacological perturbations alter cell transit dynamics through constrictions.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative transit time data that enable comparison across conditions and compound libraries.
- Analytics: Generates histogram-based readouts of transit times that allow statistical comparison of cell populations and detection of subphenotypes.
- Translational Research: Aligns with biomarker development efforts by correlating deformability shifts with differentiation states, as seen in HL-60 to neutrophil-like transitions.
- Enterprise Reuse: Functions as a modular, adaptable platform applicable to diverse cell types and research contexts without major reconfiguration.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing ambiguity in mechanistic links between molecular targets and cellular phenotypes.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through automated analysis and controlled microfluidic environments.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision efficiency by providing early, functional readouts that reduce reliance on surrogate endpoints.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on their impact on biomechanical hallmarks of disease-relevant cell states.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pressure-driven flow systems.
- Depends on access to high-speed imaging systems (≥100 fps) and automated image analysis pipelines.
- Necessitates standardization of cell preparation, surfactant use, and pressure calibration across users and labs.
- Involves optimization of constriction dimensions relative to target cell size for accurate deformation profiling.
- Limited by the need for single-cell suspensions and compatibility with adherent or fragile cell types without prior adaptation.
