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Figura 2. Encapsulación de la muestra en gotas mediante emulsificación con plantilla de partículas. A) partículas de plantillas utilizadas para la emulsificación de plantillas de partículas. (B) Separación del pellet de partículas de plantillas del sobrenadante después de la centrifugación. (C) Gotas resultantes de la emulsificación con plantilla de partículas con (D) cáscara acuosa identificable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
En PTE, la monodispersidad de las emulsiones está dictada por la de las partículas de plantillas, porque las gotas tienen un diámetro ligeramente mayor que las partículas. Por lo tanto, las partículas uniformes son fundamentales para la encapsulación controlada de PTE11. Existe una variedad de métodos para generar partículas de plantillas uniformes, incluyendo métodos químicos (sol-gel, polimerización en emulsión), hidrodinámicos (emulsificación por membrana, homogeneización) y de filtración. Los enfoques microfluídicos, en particular, ofrecen una excelente monodispersidad (Figura 2A) y permiten que la ingeniería de partículas adicional mejore su funcionalidad en PTE12. Alternativamente, se pueden comprar partículas de plantillas, aunque su uniformidad, aunque adecuada, suele ser menor que con la generación microfluídica11.
Para realizar PTE, las partículas se mezclan con la muestra a encapsular (Figura 1A), y el exceso de sobrenadante se elimina por centrifugación y pipeteo (Figura 1B), como se ilustra con una fotografía de un pellet de partículas en la parte inferior de un tubo de PCR (Figura 2B). Luego se agrega el aceite encapsulante que contiene un surfactante estabilizador (Figura 1C) y la muestra se pipetea suavemente antes de vórtice durante 30 segundos (Figura 1D), para generar la emulsión (Figura 2C). Las gotas resultantes contienen un núcleo de partículas y una capa acuosa que comprende la muestra inicial, dentro de la cual residen los reactivos, las moléculas diana y las células necesarias para la reacción (Figura 2D). Al igual que en la encapsulación microfluídica de gotas, las entidades discretas como pequeñas cuentas o células se encapsulan al azar y de acuerdo con una distribución de Poisson, aunque casi todas las gotas contienen una partícula de plantillas debido a la naturaleza de la física de PTE.

Figura 3. Identificación y limpieza de gotitas de emulsificación con plantilla de partículas. (A) Ejemplo de generación de gotas no uniformes con múltiples partículas por gota de vórtice insuficiente. (B) Presencia esperada de satélites y gotas después de la emulsificación con plantilla de partículas y (C) el fraccionamiento de agua en aceite. (D) Emulsión resultante después del lavado con aceite. E) Generación excesiva de satélites resultante de la sobrenadante residual durante la emulsificación con plantilla de partículas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Incluso en la PTE exitosa, existen gotas de doble o triple núcleo, aunque generalmente contribuyen de manera insignificante a la reacción, siempre que sean raras. Lograr una baja frecuencia de gotas multinúcleo mientras se conservan las carcasas adecuadas requiere la optimización de los parámetros del proceso, incluida la tensión superficial, las fuerzas de adhesión entre partículas, la viscosidad de la muestra, el tamaño del contenedor y la potencia y el tiempo de vórtice. Por ejemplo, una emulsificación mal optimizada puede contener gotas polidispersadas con muchas partículas de plantillas (Figura 3A), lo que indica que el vórtice fue insuficiente para emulsionar completamente la muestra. En tales casos, se pueden agregar detergentes para reducir la adhesión entre partículas y reducir la tensión superficial, o se puede aumentar la potencia o el tiempo de vórtice. Otro problema común es la generación de satélites excesivos, que son pequeñas gotas vacías (Figura 3B). Los satélites pueden ser inevitables en las emulsiones PTE dependiendo de la tensión interfacial y las propiedades reológicas de la muestra y el aceite portador. Sin embargo, a menudo son el resultado de no eliminar adecuadamente el exceso de muestra antes de la emulsificación (Figura 2B), o de un vórtice con demasiada potencia, despojando las conchas de las gotas. En una emulsificación PTE exitosa, los satélites no deben comprender más de ~ 10% del volumen total de muestra encapsulada (Figura 3C)11. En este nivel, generalmente contribuyen de manera insignificante a la reacción y pueden ser ignorados. Para fines estéticos, se pueden eliminar de la emulsión lavando con aceite fresco (Figura 3D).

Figura 4. Evaluación de la pcrización digital de gotas de emulsificación de partículas. (A) Las imágenes fluorescentes de las gotas identifican gotas fluorescentes positivas y gotas no fluorescentes negativas. (B) Identificación de plantilla rara o bajas concentraciones de plantilla con PCR de gota digital. (C) Sobre abundante encapsulación de plantillas que resulta en un número variable de moléculas de plantilla por gota. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para demostrar la utilidad de la PTE, la utilizamos para realizar PCR11 digital libre de microfluídica. Usando el proceso, encapsulamos una muestra que comprende ADN genómico de S. cerevisiae y la termociclamos. En la PCR digital, las gotas que contienen objetivos amplificados se vuelven fluorescentes, mientras que las que no lo hacen permanecen tenues. Por lo tanto, una gota fluorescente indica un objetivo, lo que permite la cuantificación directa de los objetivos mediante el recuento de gotas positivas (Figura 4A). Por lo tanto, el número de gotas fluorescentes se escala con las moléculas objetivo, produciendo pocos positivos cuando el objetivo es raro (Figura 4B) y muchos cuando es abundante (Figura 4C). Al igual que con la encapsulación de otros componentes discretos, la encapsulación objetivo sigue una distribución de Poisson, lo que permite que la fracción de gota positiva se transforme en la concentración objetivo (Figura 4D), demostrando así la capacidad de realizar PCR digital con PTE11.

Figura 5. Demostración de PCR digital con gotas utilizando PAA disponible comercialmente. (A) Las imágenes fluorescentes de las gotas identifican gotas no fluorescentes negativas. (B) Identificación de bajas concentraciones de plantilla con GOTITAS DIGITALES PCR. (C) Identificación de altas concentraciones de plantilla con PCR digital de gotas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Estos resultados son repetibles utilizando partículas de poliacrilamida disponibles comercialmente (Figura 5) y demuestran la capacidad de PTE para realizar PCR digital estándar con partículas de poliacrilamida disponibles comercialmente, logrando mediciones precisas en el mismo rango.
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