Name: High Throughput unicellulaire et multiples cellules de micro-encapsulation (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-15T12:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 19 s
Description: Découvrez une méthode de microfluidique pour encapsuler des cellules avec contrôle précis du nombre de cellules par goutte. Cette technique combine l'ordonnancement dynamique des cellules et la génération de gouttes pour des applications biologiques avancées.

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Nous remercions RainDance Technologies pour l&#39;échantillon de PFPE-PEG tensioactif utilisé dans cette étude, et nous remercions le BioMEMS Resource Center (Mehmet Toner, metteur en scène) pour le moule plaquette de silicium utilisé pour créer des répliques de canaux PDMS.

<ol><li>Zagnoni, M., Lain, G. L. e, Cooper, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrocoalescence+mechanisms+of+microdroplets+using+localized+electric+fields+in+microfluidic+channels%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir+%3A+the+ACS+journal+of+surfaces+and+colloids%22%5BJournal%5D)">Electrocoalescence mechanisms of microdroplets using localized electric fields in microfluidic channels.</a> Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids. 26, 14443-14449 (2010).</li>
<li>Niu, X. Z., Gielen, F., Edel, J. B., deMello, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microdroplet+dilutor+for+high-throughput+screening%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Chem%22%5BJournal%5D)">A microdroplet dilutor for high-throughput screening.</a> Nat. Chem. 3, 437-442 (2011).</li>
<li>Vincent, M. E., Liu, W., Haney, E. B., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+stochastic+confinement+enhances+analysis+of+rare+cells+by+isolating+cells+and+creating+high+density+environments+for+control+of+diffusible+signals%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+reviews%22%5BJournal%5D)">Microfluidic stochastic confinement enhances analysis of rare cells by isolating cells and creating high density environments for control of diffusible signals.</a> Chemical Society reviews. 39, 974-984 (2010).</li>
<li>Huebner, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+detection+of+protein+expression+in+single+cells+using+droplet+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+communications%22%5BJournal%5D)">Quantitative detection of protein expression in single cells using droplet microfluidics.</a> Chemical communications. , 1218-1220 (2007).</li>
<li>Love, J. C., Ronan, J. L., Grotenbreg, G. M., van der Veen, A. G., Ploegh, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microengraving+method+for+rapid+selection+of+single+cells+producing+antigen-specific+antibodies%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+biotechnology%22%5BJournal%5D)">A microengraving method for rapid selection of single cells producing antigen-specific antibodies.</a> Nature biotechnology. 24, 703-707 (2006).</li>
<li>Bradshaw, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Concurrent+detection+of+secreted+products+from+human+lymphocytes+by+microengraving%3A+Cytokines+and+antigen-reactive+antibodies%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Immunol%22%5BJournal%5D)">Concurrent detection of secreted products from human lymphocytes by microengraving: Cytokines and antigen-reactive antibodies.</a> Clin. Immunol. 129, 10-18 (2008).</li>
<li>Liu, W. S., Kim, H. J., Lucchetta, E. M., Du, W. B., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation%2C+incubation%2C+and+parallel+functional+testing+and+identification+by+FISH+of+rare+microbial+single-copy+cells+from+multi-species+mixtures+using+the+combination+of+chemistrode+and+stochastic+confinement%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Isolation, incubation, and parallel functional testing and identification by FISH of rare microbial single-copy cells from multi-species mixtures using the combination of chemistrode and stochastic confinement.</a> Lab on a chip. 9, 2153-2162 (2009).</li>
<li>Boedicker, J. Q., Li, L., Kline, T. R., Ismagilov, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detecting+bacteria+and+determining+their+susceptibility+to+antibiotics+by+stochastic+confinement+in+nanoliter+droplets+using+plug-based+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Detecting bacteria and determining their susceptibility to antibiotics by stochastic confinement in nanoliter droplets using plug-based microfluidics.</a> Lab on a chip. 8, 1265-1272 (2008).</li>
<li>Koster, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drop-based+microfluidic+devices+for+encapsulation+of+single+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Drop-based microfluidic devices for encapsulation of single cells.</a> Lab on a chip. 8, 1110-1115 (2008).</li>
<li>Kelly, R. T., Page, J. S., Marginean, I., Tang, K., Smith, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dilution-free+analysis+from+picoliter+droplets+by+nano-electrospray+ionization+mass+spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Angew+Chem.+Int.+Ed.+Engl%22%5BJournal%5D)">Dilution-free analysis from picoliter droplets by nano-electrospray ionization mass spectrometry.</a> Angew Chem. Int. Ed. Engl. 48, 6832-6835 (2009).</li>
<li>Hong, J., deMello, A. J., Jayasinghe, S. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bio-electrospraying+and+droplet-based+microfluidics%3A+control+of+cell+numbers+within+living+residues%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+materials%22%5BJournal%5D)">Bio-electrospraying and droplet-based microfluidics: control of cell numbers within living residues.</a> Biomedical materials. 5, 21001(2010).</li>
<li>Edd, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+encapsulation+of+single-cells+into+monodisperse+picolitre+drops%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Controlled encapsulation of single-cells into monodisperse picolitre drops.</a> Lab on a chip. 8, 1262-1264 (2008).</li>
<li>Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+dispersions+using+%22flow+focusing%22+in+microchannels%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels.</a> Applied Physics Letters. 82, 364(2003).</li>
<li>Utada, A., Fernandez-Nieves, A., Stone, H., Weitz, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dripping+to+Jetting+Transitions+in+Coflowing+Liquid+Streams%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Dripping to Jetting Transitions in Coflowing Liquid Streams.</a> Physical Review Letters. 99, (2007).</li>
<li>Chabert, M., Viovy, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+high-throughput+encapsulation+and+hydrodynamic+self-sorting+of+single+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Microfluidic high-throughput encapsulation and hydrodynamic self-sorting of single cells.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105, 3191-3196 (2008).</li>
<li>Segrí, G., Silberberg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Radial+Particle+Displacements+in+Poiseuille+Flow+of+Suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Radial Particle Displacements in Poiseuille Flow of Suspensions.</a> Nature. 189, 209-210 (1961).</li>
<li>Carlo, D. D. i <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Inertial microfluidics.</a> Lab on a chip. 9, 3038-3046 (2009).</li>
<li>Carlo, D. D. i, Edd, J., Humphry, K., Stone, H., Toner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle+Segregation+and+Dynamics+in+Confined+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Particle Segregation and Dynamics in Confined Flows.</a> Physical Review Letters. 102, (2009).</li>
<li>Humphry, K. J., Kulkarni, P. M., Weitz, D. A., Morris, J. F., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Axial+and+lateral+particle+ordering+in+finite+Reynolds+number+channel+flows%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Axial and lateral particle ordering in finite Reynolds number channel flows.</a> Physics of Fluids. 22, 081703(2010).</li>
<li>Lee, W., Amini, H., Stone, H. A., Carlo, D. D. i <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+self-assembly+and+control+of+microfluidic+particle+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Dynamic self-assembly and control of microfluidic particle crystals.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107, 22413(2010).</li>
<li>Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+prototyping+of+microfluidic+systems+in+poly%28dimethylsiloxane%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane.</a> Anal. Chem. 70, 4974-4984 (1998).</li>
<li>Kotz, K., Cheng, X., Toner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PDMS+Device+Fabrication+and+Surface+Modification%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">PDMS Device Fabrication and Surface Modification.</a> J. Vis. Exp. (8), e319(2007).</li>
<li>Haubert, K., Drier, T., Beebe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PDMS+bonding+by+means+of+a+portable%2C+low-cost+corona+system%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">PDMS bonding by means of a portable, low-cost corona system.</a> Lab on a chip. 6, 1548-1549 (2006).</li>
<li>Hatch, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((1-Million+droplet+array+with+wide-field+fluorescence+imaging+for+digital+PCR%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">1-Million droplet array with wide-field fluorescence imaging for digital PCR.</a> Lab on a chip. , 3838-3845 (2011).</li>
<li>Holtze, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biocompatible+surfactants+for+water-in-fluorocarbon+emulsions%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Biocompatible surfactants for water-in-fluorocarbon emulsions.</a> Lab on a chip. 8, 1632-1639 (2008).</li>
<li>Garstecki, P., Stone, H., Whitesides, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanism+for+Flow-Rate+Controlled+Breakup+in+Confined+Geometries%3A+A+Route+to+Monodisperse+Emulsions%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Mechanism for Flow-Rate Controlled Breakup in Confined Geometries: A Route to Monodisperse Emulsions.</a> Physical Review Letters. 94, (2005).</li>
<li>Garstecki, P., Fuerstman, M. J., Stone, H. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+droplets+and+bubbles+in+a+microfluidic+T-junction-scaling+and+mechanism+of+break-up%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up.</a> Lab on a chip. 6, 437-446 (2006).</li>
<li>Nie, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emulsification+in+a+microfluidic+flow-focusing+device%3A+effect+of+the+viscosities+of+the+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluidics+and+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Emulsification in a microfluidic flow-focusing device: effect of the viscosities of the liquids.</a> Microfluidics and Nanofluidics. , (2008).</li>
<li>Holt, D. J., Payne, R. J., Chow, W. Y., Abell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluorosurfactants+for+microdroplets%3A+interfacial+tension+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+colloid+and+interface+science%22%5BJournal%5D)">Fluorosurfactants for microdroplets: interfacial tension analysis.</a> Journal of colloid and interface science. 350, 205-211 (2010).</li>
<li>Holt, D. J., Payne, R. J., Abell, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+novel+fluorous+surfactants+for+microdroplet+stabilisation+in+fluorous+oil+streams%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluorine+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Synthesis of novel fluorous surfactants for microdroplet stabilisation in fluorous oil streams.</a> Journal of Fluorine Chemistry. 131, 398-407 (2010).</li>
<li>Hatch, A. C., Fisher, J. S., Pentoney, S. L., Yang, D. L., Lee, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+3D+droplet+self-assembly+for+ultra-high-density+digital+micro-reactor+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Tunable 3D droplet self-assembly for ultra-high-density digital micro-reactor arrays.</a> Lab on a chip. 11, 2509-2517 (2011).</li>
<li>Baret, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactants+in+droplet-based+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+chip%22%5BJournal%5D)">Surfactants in droplet-based microfluidics.</a> Lab on a chip. 12, 422-433 (2012).</li>
</ol>

JE est un inventeur sur un brevet en instance sur la base de la technologie utilisée dans ce manuscrit.

Malgré des degrés relativement élevés de la commande, tous les gouttes contiennent le bon nombre de particules ou de cellules. Efficacité d&#39;encapsulation peut être calculé comme le nombre de cellules ou de particules qui deviennent encapsulées dans gouttes avec l&#39;occupation souhaitée divisée par le nombre total. Ces données brutes peuvent être obtenus soit à partir d&#39;un algorithme automatisé à grande vitesse vidéo ou de l&#39;imagerie d&#39;un échantillon d&#39;émulsion recueillies. Cela peut être comparée à...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom du réactif </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> AutoCAD </td><td> AutoDesk </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Masque de transparence </td><td> Fineline Imaging Inc </td><td></td><td></td></tr><tr><td> SU-8 Photoresist </td><td> MicroChem </td><td> 2050 </td><td></td></tr><tr><td> Profilomètre Dektak </td><td> Veeco </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Boîte de Pétri </td><td> BD Falcon </td><td> 351058 </td><td></td></tr><tr><td> Kit PDMS élastomère de silicone </td><td> Dow Corning Corp </td><td> Sylgard 184, numéro de référence (240) 4019862 </td><td></td></tr><tr><td> Dessiccateur à vide </td><td> Jencons </td><td> 250-030 </td><td></td></tr><tr><td> Pompe à vide </td><td> Alcatel Vacuum Technology </td><td> 2010 C2 </td><td></td></tr><tr><td> Le régulateur de vide </td><td> Cole-Parmer </td><td> EW-00910-10 </td><td></td></tr><tr><td> Four </td><td> Thermo Scientific </td><td> Lindberg Blue M, OV800F </td><td></td></tr><tr><td> Biopsie, 0,75 mm </td><td> Harris </td><td> Uni-Core 15072 </td><td></td></tr><tr><td> Laboratoire Traitement Corona </td><td> Electro-Technic Products Inc </td><td> BD-20AC, SKU 12051A </td><td></td></tr><tr><td> Lames de verre </td><td> Sceau d&#39;or </td><td> 3010 </td><td></td></tr><tr><td> Aquapel </td><td> PPG Industries </td><td></td><td> Stratégie Alternative </td></tr><tr><td> Microsphères de polystyrène, 9,9 um </td><td> Thermo </td><td> G1000 </td><td></td></tr> &lt;tr&gt; <td> OptiPrep </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D1556 </td><td> Non démontré </td></tr><tr><td> Seringues Luer-Lok </td><td> BD </td><td> 1 ml: 309628 3 ml: 309585 </td><td></td></tr><tr><td> FC-40 huile fluorocarbonée </td><td> 3M Inc </td><td> Sigma-Aldrich, F9755 </td><td></td></tr><tr><td> PFPE-PEG fluoré </td><td> RainDance Technologies </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Huile minérale légère </td><td> Process Chemicals PTI </td><td> 08042-47-5 </td><td> Stratégie Alternative </td></tr><tr><td> Surfactant huile minérale </td><td> Evonik Goldschmidt Corporation </td><td> ABIL EM 90 </td><td> Stratégie Alternative </td></tr><tr><td> Tygon Tuyau PVC </td><td> SmallParts </td><td> TGY-010 </td><td></td></tr><tr><td> Calibre 30 Luer-Lok seringue sans aiguille, 1/2 &quot; </td><td> SmallParts </td><td> NE-301PL-C </td><td></td></tr><tr><td> Microscope inversé </td><td> Carl Zeiss Imaging </td><td> Axio Observer.Z1 </td><td></td></tr><tr><td> Caméra haute vitesse </td><td> Vision de la recherche </td><td> Phantom V310 </td><td></td></tr><tr><td> Pompes seringue (2) </td><td> Chemyx Inc </td><td> Nexus 3000 </td><td></td></tr><tr><td> Huile de silicone </td><td> Dow Corning </td><td> 200 fluide, 10 cSt </td><td> En option pour le stockage d&#39;émulsion </td></tr></tbody></table>

high throughput unicellulaire et multiples cellules de micro-encapsulation

High Throughput Single-cell and Multiple-cell Micro-encapsulation

Les méthodes d'encapsulation microfluidiques ont déjà été utilisées pour capturer des cellules dans des gouttelettes aqueuses monodisperses de l'ordre du picolitre, offrant un confinement par rapport à un environnement fluide en volume, avec des applications en criblage à haut débit, en cytométrie et en spectrométrie de masse. Nous décrivons une méthode permettant non seulement d'encapsuler des cellules individuelles, mais aussi de capturer de façon répétée un nombre défini de cellules (dans cet exemple, l'encapsulation d'une ou deux cellules) afin d'étudier à la fois l'isolement et les interactions entre cellules regroupées en ensembles de taille contrôlée. En combinant des techniques de génération de gouttelettes avec un ordonnancement des cellules et des particules, nous démontrons une encapsulation contrôlée de particules de taille cellulaire, permettant une encapsulation efficace et continue. À l’aide d’une suspension aqueuse de particules et d’une huile fluorocarbonée immiscible, nous générons des gouttelettes aqueuses dans l’huile au moyen d’une buse à focalisation d’écoulement. Le débit aqueux est suffisamment élevé pour induire un ordonnancement des particules, qui atteignent la buse à des fréquences multiples entières de la fréquence de génération des gouttelettes, encapsulant ainsi un nombre contrôlé de cellules dans chaque goutte. À titre de résultats représentatifs, des particules de polystyrène de 9,9 µm sont utilisées comme substituts cellulaires. Cette étude montre une efficacité d’encapsulation d’une seule particule Pk=1 de 83,7 % et une efficacité d’encapsulation de deux particules Pk=2 de 79,5 %, comparées à leurs efficacités poissonniennes respectives de 39,3 % et 33,3 %. L’effet d’une concentration constante de cellules et de particules s’avère d’une importance majeure pour une encapsulation efficace, et les transitions du mode goutte à jet sont également abordées.
Introduction 
Les suspensions cellulaires aqueuses en milieu continu partagent un environnement fluide commun qui permet aux cellules d'interagir en parallèle et homogénéise également les effets de cellules spécifiques dans les mesures effectuées dans le milieu. L'encapsulation à haut débit de cellules dans des gouttelettes de volume picolitrique isole les échantillons afin de prévenir la contamination croisée, permet d'évaluer la diversité cellulaire au sein des échantillons, évite la dilution des réactifs et des biomarqueurs exprimés, et amplifie les signaux provenant des produits du biocapteur. Les gouttelettes offrent également la possibilité de regrouper à nouveau les gouttelettes en échantillons aqueux plus volumineux ou de les fusionner entre elles pour des études sur la signalisation intercellulaire.1,2 La réduction de la dilution implique des signaux de détection plus intenses, permettant des mesures plus précises, ainsi que la possibilité de réduire les volumes d'échantillons et de réactifs, potentiellement coûteux.3 L'encapsulation de cellules dans des gouttelettes a été utilisée pour améliorer la détection de l'expression protéique,4 des anticorps,5,6 des enzymes,7 et de l'activité métabolique8 dans le cadre de criblages à haut débit, et pourrait être employée pour améliorer la cytométrie à haut débit.9 D'autres études présentent des applications dans l'électrospray bio-assisté de gouttelettes contenant des cellules pour la spectrométrie de masse10 et les revêtements ciblés de cellules en surface.11 Certaines applications ont toutefois été limitées par l'incapacité à contrôler le nombre de cellules encapsulées dans les gouttelettes. Nous présentons ici une méthode d'encapsulation ordonnée12 qui augmente les rendements d'encapsulation démontrés pour une ou deux cellules et qui pourrait être extrapolée à l'encapsulation d'un plus grand nombre de cellules.
Pour obtenir une génération de gouttelettes monodisperses, la technique microfluidique de « focalisation d'écoulement » permet de créer des gouttelettes de taille contrôlable d'un fluide (un mélange aqueux de cellules) dans un autre fluide (une phase huileuse continue) à l'aide d'une buse où les flux convergent.13 Pour une géométrie de buse donnée, la fréquence de génération de gouttelettes f et la taille des gouttelettes peuvent être modifiées en ajustant les débits de l'huile et de la phase aqueuse, notés respectivement Qoil et Qaq. Lorsque les débits augmentent, l'écoulement peut passer d'une génération de gouttelettes à un écoulement instable sous forme de jet de fluide aqueux sortant de la buse.14
Lorsque la solution aqueuse contient des particules en suspension, celles-ci deviennent encapsulées et isolées les unes des autres au niveau de la buse. Pour la génération de gouttes à partir d'une suspension cellulaire aqueuse aléatoirement distribuée, la fraction moyenne de gouttes Dk contenant k cellules est régie par la statistique de Poisson, où Dk = λk exp(-λ)/(k!) et λ représente le nombre moyen de cellules par goutte. La fraction de cellules qui se retrouvent dans les gouttes correctement encapsulées est calculée à l'aide de Pk = (k x Dk)/Σ(k' x Dk'). La différence subtile entre ces deux paramètres est que Dk concerne l'utilisation du liquide aqueux et la quantité de tri de gouttes nécessaire après l'encapsulation, tandis que Pk concerne l'utilisation de l'échantillon cellulaire. À titre d'exemple, on pourrait utiliser une suspension cellulaire diluée (faible λ) afin d'encapsuler des gouttes dans lesquelles la majorité des gouttes contenant des cellules n'en contiendraient qu'une seule. Bien que le paramètre d'efficacité Pk soit élevé, la majorité des gouttes seraient vides (faible Dk), nécessitant ainsi un mécanisme de tri pour éliminer les gouttes vides, ce qui réduit également le débit.15
La combinaison de la génération de gouttelettes avec l'ordonnancement inertiel permet d'encapsuler des gouttelettes contenant un nombre de cellules par goutte plus prévisible et des débits plus élevés que l'encapsulation aléatoire. La focalisation inertielle, initialement découverte par Segre et Silberberg16, désigne la tendance des particules de taille finie à migrer vers des positions d'équilibre latérales en écoulement canal. L'ordonnancement inertiel fait référence à la capacité des particules et des cellules à s'organiser passivement en trains régulièrement espacés, décalés et se déplaçant à vitesse constante. La focalisation et l'ordonnancement nécessitent tous deux des débits suffisamment élevés (nombre de Reynolds élevé) et des tailles de particules importantes (nombre de Reynolds particulaire élevé)17,18. Ici, le nombre de Reynolds Re =uDh/ν et le nombre de Reynolds particulaire Rep =Re(a/Dh)2, où u est une vitesse d'écoulement caractéristique, Dh [=2wh/(w+h)] est le diamètre hydraulique, ν est la viscosité cinématique, a est le diamètre de la particule, w est la largeur du canal et h est la hauteur du canal. Empiriquement, la longueur nécessaire pour obtenir des trains complètement ordonnés diminue lorsque Re et Rep augmentent. Notons que les exigences élevées en Re et Rep (dans cette étude, de l'ordre de 5 et 0,5 respectivement) peuvent entrer en conflit avec la nécessité de maintenir les débits aqueux faibles afin d'éviter la formation de jets au niveau de la buse de génération de gouttelettes. De plus, des débits élevés induisent des contraintes de cisaillement plus importantes sur les cellules, phénomène non abordé dans ce protocole. Une étude antérieure sur l'encapsulation ordonnée a montré qu'au-delà de 90 % des cellules HL60 encapsulées individuellement, dans des conditions d'écoulement similaires à celles de cette étude, conservaient l'intégrité de leur membrane cellulaire12. Toutefois, l'effet de l'amplitude et des échelles temporelles des contraintes de cisaillement devra être soigneusement évalué lors de l'extrapolation à d'autres types cellulaires et paramètres d'écoulement. Le recoupement des contraintes liées à l'ordonnancement cellulaire, à la génération de gouttelettes et à la viabilité cellulaire en termes de débit aqueux définit un régime opérationnel idéal pour l'encapsulation contrôlée de cellules uniques ou multiples.
Étant donné que très peu d'études abordent l'espacement entre les trains de particules,19,20 la détermination de cet espacement s'effectue plus facilement de manière empirique et dépendra de la géométrie du canal, du débit, de la taille des particules et de leur concentration. Néanmoins, l'espacement latéral égal entre les trains implique que les cellules arrivent à des intervalles de temps prévisibles et réguliers. Lorsque la génération de gouttes se produit au même rythme que l'arrivée ordonnée des cellules à la buse, les cellules sont encapsulées dans les gouttes de manière contrôlée. Cette technique a permis d'encapsuler des cellules uniques avec des débits de l'ordre de 15 kHz,12 une amélioration significative par rapport aux études antérieures qui rapportaient des taux d'encapsulation de l'ordre de 60 à 160 Hz.4,15 Dans les travaux sur l'encapsulation contrôlée, plus de 80 % des gouttes contenaient une cellule et une seule, ce qui représente une amélioration notable d'efficacité par rapport aux statistiques de Poisson (aléatoires), qui prévoient en moyenne une efficacité inférieure à 40 %.12
Dans des travaux antérieurs sur l'encapsulation contrôlée,12 le nombre moyen de particules par goutte λ a été ajusté afin d'obtenir une encapsulation monocellulaire. Nous émettons l'hypothèse que, par réglage des débits, il est possible d'encapsuler efficacement un nombre quelconque de cellules par goutte lorsque λ est égal ou proche du nombre de cellules souhaité par goutte. Bien que l'encapsulation monocellulaire soit utile pour déterminer les réponses individuelles des cellules à des stimuli, l'encapsulation de multiples cellules fournit des informations relatives aux interactions entre des nombres et types de cellules contrôlés. Nous présentons ici un protocole, des résultats représentatifs obtenus à l'aide de microsphères de polystyrène, ainsi qu'une discussion sur l'encapsulation contrôlée de multiples cellules à l'aide d'un canal passif d'alignement inertiel et d'une buse de génération de gouttes.

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