Dwuwarstwowe urządzenie mikroprzepływowe do kombinatorycznej produkcji korków
1 grudnia 2023
Prezentacja dwuwarstwowego urządzenia opartego na polidimetylosiloksanie (PDMS) do produkcji bibliotek kombinatorycznych w emulsjach (korkach) typu woda w oleju jest przedstawiona. Niezbędny sprzęt i oprogramowanie wymagane do automatyzacji produkcji zatyczek jest szczegółowo opisane w protokole, a także pokazano produkcję ilościowej biblioteki zatyczek fluorescencyjnych.
W Grupie Biologii Systemów dla Onkologii stosujemy połączone podejście obliczeniowe i eksperymentalne, aby rozwikłać skomplikowane mechanizmy kształtujące mikrośrodowisko guza. Wykorzystujemy modele matematyczne oparte na danych klinicznych i biologii nowotworów, aby zidentyfikować czynniki wpływające na indywidualną odpowiedź na terapię, a ostatecznym celem jest poprawa onkologii precyzyjnej. Biorąc pod uwagę niejednorodny i dynamiczny charakter odpowiedzi guza na terapię, biologia perturbacji wykazała potencjał do przezwyciężenia ograniczeń biomarkerów genomowych.
Nasze podejście polega na poddaniu receptywnych komórek nowotworowych szeroko zakrojonemu badaniu przesiewowemu leków przeciwnowotworowych w celu zidentyfikowania fenotypowych właściwości nowotworów w celu określenia skuteczniejszych terapii przeciwnowotworowych. Mikrofluidyka to cenna technologia, która pomaga w analizie niewielkiej ilości próbki, takiej jak biopsje guza, poprzez rozprowadzanie jej do poszczególnych przedziałów, takich jak kropelki lub czopy. Pozwala również na kontrolę składu każdej wtyczki, tworząc w ten sposób wiele populacji chemicznie odrębnych zatyczek.
Prezentujemy tutaj urządzenie w pełni oparte na PDMS, w którym przepływ płynu jest regulowany przez zawory Quake uruchamiane ciśnieniem, które pozwalają na szybką, kontrolowaną i programowalną produkcję różnych populacji grzybów. Co więcej, ponieważ zawory Quake są również oparte na PDMS, można je bezproblemowo zintegrować z produkcją urządzeń. Połączenie danych uzyskanych z wysokoprzepustowych kombinatorycznych badań przesiewowych komórek nowotworowych z modelami matematycznymi pozwoli nam na badanie szlaków sygnałowych regulujących zachowanie mikrośrodowiska guza.
Badania te utorują drogę nowym strategiom w onkologii precyzyjnej, dostarczając uzasadnienia do personalizacji leczenia dla poszczególnych pacjentów. Aby rozpocząć, wytnij odcinek rurki PTFE dla każdego kanału sterującego urządzenia mikroprzepływowego. Włóż szpilkę króćca Luer o rozmiarze 23 i 0,5 cala na jednym końcu.
Przymocuj króciec Luer do męskiego Luera. Następnie włóż łącznik do rurki poliuretanowej. Podłącz drugi koniec rurki poliuretanowej bezpośrednio do zaworu elektromagnetycznego.
Następnie podłącz króciec Luer o rozmiarze 23 x 0,5 cala na końcu strzykawki. Napełnić strzykawkę wodą. Przymocować wolny koniec rurki PTFE do strzykawki.
Wstrzyknąć wodę do mniej więcej połowy rurki. Teraz odłącz rurkę od strzykawki i włóż wolny koniec do wybitego otworu odpowiedniego kanału sterującego. Powtarzaj, aż każdy kanał sterujący zostanie podłączony do odpowiedniego zaworu elektromagnetycznego.
Następnie uruchom główny program interfejsu. Naciśnij opcję zwiększania ciśnienia we wszystkich kanałach sterujących, aby otworzyć zawory. Spowoduje to wypchnięcie płynu z rurki do kanałów sterujących urządzenia mikroprzepływowego w celu jego napełnienia.
Dla każdego z odczynników wodnych należy wyciąć odcinek rurki PTFE wystarczająco długi, aby połączyć pompy z wlotami urządzeń mikroprzepływowych. Podłącz króciec Luer o rozmiarze 23 x 0,5 cala do końca strzykawki. Napełnić strzykawkę wymaganym odczynnikiem.
Wstrzyknąć odczynnik do rurki, aż rurka będzie pełna. Włóż wolny koniec rurki do odpowiedniego wlotu na chipie mikroprzepływowym. Za pomocą oprogramowania należy przyłożyć ciśnienie 400 milibarów do każdego z wlotowych odczynników wodnych.
Sekwencyjnie rozhermetyzuj kanały sterujące indywidualnie za pomocą głównego programu interfejsu. Naciśnij odpowiednie ikony w programie w polu oznaczonym Kanały sterujące Ręczne zwiększanie ciśnienia"aby w razie potrzeby uruchomić poszczególne zawory. Po powtórzeniu zwiększania ciśnienia dla odczynników olejowych, kliknij przycisk Rozhermetyzuj wszystkie kanały kontrolne"aby jednocześnie obniżyć ciśnienie w kanałach.
Teraz kliknij na Zwiększ ciśnienie we wszystkich kanałach sterujących"aby zwiększyć ciśnienie w kanałach sterujących. Zakoduj kompozycję, sekwencję i repliki każdej populacji wtyczek w pliku CSV, oznaczając niezbędne kanały sterujące symbolem 0", jeśli odpowiedni wlot musi być otwarty, lub 1", jeśli musi zostać zamknięty. Będzie to służyć jako dane wejściowe dla automatycznego eksperymentu w głównym programie interfejsu.
Następnie kliknij ikonę folderu w zakładce Plik eksperymentalny, aby załadować plik CSV. Wprowadź odpowiednie pola, takie jak iteracje eksperymentu, czas obniżenia ciśnienia i czas zwiększania ciśnienia. Następnie wybierz kanały wlotowe odpowiadające produkcji kodów kreskowych w sekcji Wlot kodów kreskowych wraz z czasem, przez jaki muszą być otwarte.
Alternatywnie kody kreskowe można zakodować na stałe w wejściowym pliku CSV. Teraz zmniejsz ciśnienie odczynników oleju wlotowego z 400 milibarów do 200 milibarów. Następnie podłącz rurkę PTFE do gniazdka, aby zebrać wtyczki.
Użyj wstępnie napełnionych przewodów, aby zneutralizować różnicę ciśnień na wylocie. Na koniec naciśnij Uruchom eksperyment"aby uruchomić program i podłączyć produkcję. Zawory były w stanie regulować przepływ płynu do około 800 milibarów ciśnienia wejściowego.
Przy ciśnieniu 1200 milibarów ciśnienie wejściowe było zbyt wysokie, aby można było regulować przepływ. Natężenie przepływu wody destylowanej, po wstrzyknięciu pod stałym ciśnieniem, spadło do zera. Po obniżeniu ciśnienia natężenie przepływu powróciło do poziomu sprzed uruchomienia.
Jednak przy stałym natężeniu przepływu uruchomienie zaworu nie spowodowało całkowitego zamknięcia wlotu. Aby zademonstrować funkcjonalność urządzenia, wygenerowano ilościową bibliotekę kombinatoryczną wtyczek.
Przegląd
Ten artykuł przedstawia produkcję urządzenia dwuwarstwy opartego na PDMS zaprojektowanego do produkcji kombinacyjnych bibliotek w emulsjach woda-w-oleju. Protokół szczegółowo opisuje niezbędne sprzęt i oprogramowanie do automatyzacji produkcji wtyczek i pokazuje tworzenie ilościowej biblioteki fluorescencyjnych wtyczek.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Kombinacyjne przesiewanie
- Biologia raka
Tło
- Środowisko nowotworowe jest złożone i dynamiczne.
- Precyzyjna onkologia ma na celu spersonalizowanie leczenia na podstawie indywidualnych odpowiedzi.
- Mikrofluidyka umożliwia analizę małych próbek poprzez tworzenie oddzielnych komór.
- Urządzenia PDMS umożliwiają kontrolowany przepływ płynów dla efektywnej produkcji wtyczek.
Cel badania
- Opracować urządzenie do produkcji odrębnych populacji wtyczek dla badań nad rakiem.
- Połączyć dane eksperymentalne z modelami matematycznymi dla lepszego zrozumienia zachowania nowotworu.
- Poprawić strategie precyzyjnej onkologii.
Zastosowanie metod
- Produkcja urządzenia mikrofluidycznego opartego na PDMS.
- Zastosowanie zaworów Quake sterowanych ciśnieniem do regulacji przepływu płynów.
- Automatyczna produkcja wtyczek poprzez sterowanie oprogramowaniem.
- Generowanie kombinacyjnej biblioteki fluorescencyjnych wtyczek.
Główne wyniki
- Pomyślnie wygenerowano ilościową bibliotekę wtyczek.
- Urządzenie wykazało się skuteczną regulacją przepływu płynów.
- Zarysowano integrację modeli matematycznych z danymi eksperymentalnymi.
- Omówiono potencjalne zastosowania w precyzyjnej onkologii.
Wnioski
- Urządzenie oparte na PDMS jest cennym narzędziem w badaniach nad rakiem.
- Ułatwia produkcję chemicznie odrębnych populacji wtyczek.
- To podejście może prowadzić do ulepszonych strategii leczenia raka.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
High-throughput combinatorial plug production using bilayer microfluidic devices enables rapid, programmable screening of drug responses in limited patient-derived samples. This technology addresses the challenge of generating quantitative, chemically distinct reaction compartments for phenotypic screening and pathway analysis in oncology. Its integration with computational modeling supports predictive confidence and mechanistic de-risking at critical discovery inflection points.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic perturbation of tumor cells to interrogate therapeutic hypotheses and clarify signaling pathways.
- Supports biological de-risking by generating diverse chemical environments for functional target validation.
- Facilitates predictive confidence in target selection through quantitative, multiplexed screening outputs.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, miniaturized biological systems for downstream high-throughput screening workflows.
- Delivers standardized, reproducible plug populations with programmable composition and quantity.
- Enables scalable, automated assay development for reliable compound evaluation and library expansion.
Translational & Preclinical Research
- Aligns combinatorial screening with disease-relevant systems using patient-derived tumor biopsies.
- Maintains translational continuity from discovery through preclinical validation by integrating experimental and computational data.
- Provides mechanistic de-risking for precision oncology strategies by mapping phenotypic drug responses.
Pipeline & Workflow Integration
This bilayer microfluidic platform fits from early discovery through lead identification and preclinical research, especially in oncology-focused pipelines.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling controlled perturbation experiments in nanoliter compartments.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible plug libraries with quantitative outputs for comparative analysis.
- Analytics: Provides high-content, quantitative measurements for statistical comparison of drug responses and pathway activities.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical phases by enabling direct use of patient-derived samples in combinatorial screens.
- Enterprise Reuse: Offers a programmable, scalable platform adaptable to diverse screening and assay development needs across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target and pathway validation.
- Operational Value: Standardizes and automates plug production for reproducibility and scalability in screening workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust, multiplexed data generation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of candidates based on quantitative, phenotypic screening data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication and pressure-driven fluidics.
- Needs integration of programmable hardware, software, and analytical infrastructure for automated operation.
- Demands cross-team standardization of plug composition encoding and data management.
- Adaptable to various model systems but may require optimization for different cell types or reagents.
- Operational pressure limits and valve actuation thresholds must be validated for each application.
