$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1. Изготовление липидных пленок
ПРИМЕЧАНИЕ: Липидная смесь для производства монодисперсных микропузырьков состоит из бинарной смеси DSPC и DPPE-PEG5000 в молярном соотношении 90:10. DSPC был выбран в качестве основного липида, поскольку было показано, что он обеспечивает превосходную устойчивость к растворению газов как в полидисперсныхмикропузырьках 33,34, так и в монодисперсных микропузырьках31. Предполагается, что эта повышенная стабильность является результатом относительно высокой температуры перехода гелеобразно-жидкокристаллической фазы 55 °C35, что выше, чем у других широко используемых липидов, таких как DPPC (~41 °C)35, что приводит к более жесткой и непроницаемой липидной оболочке при комнатной температуре36. Здесь продемонстрирован пример приготовления раствора фосфолипидного покрытия объемом 3 мл. Для достижения конечной концентрации фосфолипидов 20 мг/мл, что является типичной концентрацией для получения монодисперсных микропузырьковтребуется 16,17, 60 мг фосфолипидов. Желаемое количество каждого фосфолипидного компонента приведено в таблице 1.
- Достаньте фосфолипидный порошок из морозильной камеры при температуре -20 °C и дайте оттаять при комнатной температуре в течение 1 часа.
- Развейте необходимый липидный порошок в отдельных мерных колбах объемом 2 мл.
- Приготовьте 100 мл смеси хлороформа:метанола в соотношении 90:10 В в вытяжном шкафу, отмерив 90 мл хлороформа с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 мл, а затем перенесите это в стакан Эрленмейера объемом 250 мл. Затем отмерьте 10 мл метанола с помощью стеклянного мерного цилиндра объемом 100 мл и налейте его в стакан Эрленмейера объемом 250 мл, который уже содержит хлороформ. Закройте стакан Эрленмейера стеклянной пробкой и смешайте два растворителя, осторожно поворачивая Эрленмейер до тех пор, пока раствор не станет прозрачным.
ВНИМАНИЕ: Хлороформ и метанол являются токсичными химическими веществами. Хлороформ является потенциальным канцерогеном и может вызывать раздражение дыхательных путей, кожи и глаз. Метанол легко воспламеняется, токсичен при вдыхании, проглатывании или всасывании через кожу и может вызвать слепоту при попадании внутрь. Всегда работайте со смесями хлороформа и метанола в хорошо проветриваемом вытяжном шкафу, чтобы избежать вдыхания паров. Наденьте соответствующие средства индивидуальной защиты, включая перчатки, защитные очки и лабораторный халат. Убедитесь, что при работе с метанолом нет открытого огня или источников возгорания. Утилизируйте отходы растворителей в соответствии с протоколами учреждения по опасным отходам.
- Чтобы полностью растворить липидные порошки, взвешенные на Шаге 1.2, добавьте мл смеси хлороформа и метанола в каждую объемную стеклянную колбу объемом 2 мл и быстро закройте стеклянную крышку, чтобы предотвратить испарение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что липидный порошок полностью растворен. При необходимости аккуратно поворачивайте колбу, чтобы облегчить растворение.
- Смешайте растворенные липидные растворы в стеклянном флаконе объемом 30 мл, последовательно наливая каждый раствор.
- Испаряйте растворитель под постоянным потоком газообразного аргона, вращая флакон так, чтобы обеспечить равномерное распределение липидной пленки по поверхности стекла.
ПРИМЕЧАНИЕ: Окончательные следы растворителя может быть трудно испарить с помощью только газообразного аргона. Оставьте флакон в вытяжном шкафу на 2 часа, чтобы дать возможность высохнуть. Если газообразный аргон недоступен, то для испарения растворителя хлороформ/метанол можно использовать газообразный азот37 или вакуумный ротационный испаритель, работающий при температуре 6°С31,38 °С 38 (т.е. выше температуры фазового перехода DSPC, равной 55°С35).
- После испарения растворителя поместите липидную смесь в вакуум, чтобы удалить остатки органических растворителей. Запечатайте стеклянный флакон слоем парапленки и проколите иглой несколько отверстий, чтобы обеспечить поток воздуха во время вакуума.
ПРИМЕЧАНИЕ: Целью использования парапленки является предотвращение диспергации липидов из стеклянного флакона в процессе сублимационной сушки.
- Поместите флаконы в сублимационную сушилку под вакуум на ночь, чтобы удалить остатки органического растворителя.
- Перейдите к следующему шагу или храните липидную пленку при температуре -20 °C до тех пор, пока она не понадобится.
ПРИМЕЧАНИЕ: Ни в этом разделе, ни в других частях протокола не используется этап центрифугирования.
2. Изготовление микрофлюидных чипов, фокусирующих поток
ПРИМЕЧАНИЕ: Монодисперсные микропузырьки получают с помощью микрофлюидного чипа, фокусирующего поток, как показано на рисунке 1A. Схема геометрии микрофлюидного канала, включая размеры сопла и выпускного отверстия, представлена на дополнительном рисунке S1. Подробный протокол изготовления фотолитографии на основе SU-8, используемой для подготовки этих форм, был описан ранее37 и может быть найден в качестве дополнительной информации к этому протоколу. Процесс изготовления микросхемы PDMS описан в следующих этапах.
- Смешайте основу PDMS (23 г) и отвердитель (2,3 г) в весовом соотношении 10:1, чтобы получить в общей сложности 25,5 г PDMS.
- Поместите мастер-форму в чашку Петри и полейте ее смесью PDMS.
- Дегазируйте смесь под вакуумом (2 ~ 7 мбар) в течение 40 минут, чтобы удалить захваченные пузырьки воздуха.
ПРИМЕЧАНИЕ: При больших объемах может потребоваться более длительное время дегазации, чтобы обеспечить полное удаление пузырьков.
- Поместите форму на горячую плиту при температуре 75 °C на 1 час.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для больших объемов может потребоваться более длительное время отверждения.
- Дайте PDMS остыть до комнатной температуры. С помощью скальпеля аккуратно разрежьте вокруг отвержденного PDMS и снимите его, чтобы освободить скол.
- Отрежьте чип PDMS до нужного размера и проделайте отверстия на входах/выходах с помощью пуансона 1 мм.
- Очистите чип PDMS с помощью клейкой ленты, чтобы удалить частицы пыли.
- Очистите чип PDMS и предметное стекло изопропанолом, а затем деионизированной водой.
- Приклейте PDMS к предметному стеклу, обработав их в воздушно-плазменном очистителе в течение 1 минуты при мощности 60% (60 Вт).
- Поместите склеенный чип на горячую плиту с температурой 95 °C на 3 минуты, чтобы усилить сцепление.
- Дайте микросхеме PDMS остыть до комнатной температуры. Полностью изготовленная микросхема показана на рисунке 1C, а микроскопическое изображение светлого поля сопла показано на рисунке 1D.
- Поместите склеенный чип в плазменный очиститель на 5 минут при мощности 80% (80 Вт) для восстановления поверхностной гидрофильности микрофлюидного канала.
- Немедленно заполните чип водой Milli-Q для сохранения гидрофильности.
- Храните чипсы при комнатной температуре в воде Milli-Q до использования.
3. Приготовление раствора фосфолипидного покрытия
- Подготовленную липидную пленку достать из морозильной камеры при температуре -20 °C и разморозить при комнатной температуре в течение 1 ч.
- Добавьте 3 мл предварительно подогретого (55 °C) фосфатно-солевого буфера (PBS) в липидную пленку (60 мг) до достижения конечной концентрации липидов 20 мг/мл. Поместите флаконы на водяную баню при температуре 55 °C на 40 минут, переворачивая каждые 15 минут на средней скорости (уровень 3 из 5 на вихревом миксере).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап служит для предварительного растворения и равномерного диспергирования липидных компонентов в PBS перед ультразвуковой обработкой на этапе 3.5. Эта температура является температурой фазового перехода DSPC39, способствуя частичной солюбилизации и снижению агрегации липидов. Несмотря на то, что ультразвуковая обработка на этапе 3.6 требуется для достижения полной оптической прозрачности, предварительная термическая инкубация способствует более эффективной и воспроизводимой ультразвуку за счет минимизации образования крупных липидных агрегатов и повышения однородности дисперсии.
- Добавьте в липидную смесь 0,43 мл раствора Pluronic F68 до достижения молярной концентрации 10%, а именно, DSPC: DPPE-PEG5000: Pluronic F68 = 81:9:10 моль%. После этого образец должен визуально напоминать рисунок 2А, который представляет собой мутное решение.
ПРИМЕЧАНИЕ: Pluronic F68 является поверхностно-активным веществом, используемым для предотвращения коалесценции при образовании монодисперсных микропузырьков16,40. В отсутствие Pluronic F68 монодисперсные микропузырьки не могут быть сформированы с использованием микрофлюидного устройства37Horizon и липидной композиции, описанных в настоящем протоколе16. Пропиленгликоль не использовался в липидной композиции, так как сообщалось, что это соединение нарушает как монодисперсность, так и стабильность полученной монодисперсной микропузырьковой суспензии38.
- Для приготовления монодисперсных микропузырьков с флуоресцентной меткой на этой стадии добавьте в смесь липидный краситель, такой как липофильный карбоцианиновый краситель.
- Обработать липидную смесь ультразвуком на водяной бане при 100% мощности в течение 20 минут, поддерживая температуру воды на уровне 55 °C. Через 20 мин липидный раствор должен выглядеть как показано на рисунке 2В , что является менее мутным раствором, чем на шаге 3.4. Продолжайте обработку ультразвуком с интервалом в 10 минут, пока раствор не станет прозрачным, как показано на рисунке 2C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для решения на рисунке 2C потребовалось 30 минут ультразвуковой обработки для получения прозрачного раствора. Определение характеристик липидного раствора может быть выполнено путем измерения размера липосом, например, с помощью динамического светорассеивателя.
- Перед дальнейшей обработкой дайте липидному раствору остыть до комнатной температуры.
4. Приготовление флакона для сбора микропузырьков
ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения длительного хранения монодисперсных микропузырьков в качестве флакона для сбора необходим газонепроницаемый медицинский флакон.
- Закупорьте стеклянный медицинский флакон объемом 5 мл резиновой пробкой и наполните флакон газом C4F10 . Впоследствии сожмите алюминиевый колпачок вокруг флакона, чтобы обеспечить газонепроницаемость. Теперь флакон для сбора готов к использованию.
5. Подготовка микрофлюидной платформы
Примечание: Как показано на рисунке 3А, система включает в себя микрофлюидную платформу37 Horizon (далее именуемую «микрофлюидная платформа»), компьютер для управления, высокоскоростную камеру для наблюдения за производственным процессом, внешний источник света на светодиодах (LED) для освещения во время высокоскоростной визуализации и функциональный генератор сигналов для запуска высокоскоростной визуализации через определенные промежутки времени в процессе производства. Перед началом производства микропузырьков устройство необходимо очистить, чтобы снизить вероятность засорения форсунки. В процедуре очистки задействованы как трубки, так и микрофлюидный чип.
- Процедура очистки трубок
- Включите выключатель питания микрофлюидной платформы, который расположен с правой стороны (рисунок 3А).
ПРИМЕЧАНИЕ: «Выключатель питания» относится к основному блоку управления питанием платформы Horizon, который активирует внутренний микроконтроллер системы, насосы и датчики.
- Поместите стеклянный флакон объемом 4 мл, наполненный 70% этанолом, в левую сторону камеры P-насоса микрофлюидной платформы (рис. 3). Начните подачу жидкости со скоростью 100 μл/мин, чтобы входная трубка для жидкости была промыта 70% этанолом из флакона. Остановите промывку, остановив поток жидкости через 5 минут.
ПРИМЕЧАНИЕ: P-насос относится к блоку подачи газа с регулируемым давлением, встроенному в микрофлюидную систему. Этот шаг предназначен только для очистки трубки; На этом этапе трубка не должна быть соединена с микрофлюидным чипом. Этот процесс удаляет растворимую в этаноле пыль и загрязняющие вещества из жидкостной и газовой системы.
- Замените флакон с этанолом на флакон с водой Milli-Q.
- Промойте трубку водой Milli-Q со скоростью 100 мкл/мин в течение 5 минут, чтобы удалить остатки этанола из системы.
- Процедура очистки от стружки
- Включите внутренний светодиодный выключатель микрофлюидной платформы.
- Вставьте чип PDMS в держатель.
- Расположите коллектор над чипом и закрепите его с помощью регулируемого колеса.
- Подсоедините газовую, жидкостную и выпускную трубку к микросхеме PDMS с помощью пинцета. Конфигурация подключения показана на рисунке 3B. Убедитесь, что выпускная трубка ведет к пробирке для сбора отработанного раствора в процессе очистки.
- Отрегулируйте платформу так, чтобы сопло чипа находилось в поле зрения объектива.
- Очистите чип водой Milli-Q в течение 5 минут, используя давление газа 1000 мбар и расход жидкости 100 μл/мин. Сначала запустите поток газа, а затем поток жидкости.
ПРИМЕЧАНИЕ: На этом этапе необходимо очистить микрофлюидную стружку перед соплом.
- Остановите поток жидкости, а затем поток газа.
- Подсоедините газовую и выпускную трубки, как показано на рисунке 3C.
- Повторите процедуру промывки водой Milli-Q в течение еще 5 минут, используя давление газа 1000 мбар и расход жидкости 50 μл/мин. Сначала запустите поток газа, а затем поток жидкости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта установка очищает микрофлюидную стружку после сопла.
- Остановите поток жидкости, а затем поток газа. Чип PDMS теперь готов к производству микропузырьков.
6. Настройка высокоскоростной визуализации
ПРИМЕЧАНИЕ: Для мониторинга и управления производством монодисперсных микропузырьков рекомендуется интегрировать высокоскоростную камеру с микрофлюидной платформой, так как микропузырьки будут производиться со скоростью более 105 микропузырьков/с. Высокоскоростная камера позволяет измерять размер микропузырьков на кристалле и скорость производства, а также контролировать коалесценцию микропузырьков на кристалле.
- Установите светодиодный источник света над монтажной платформой (рис. 3A), чтобы освещать микрофлюидный чип во время высокоскоростной визуализации.
- Подключите высокоскоростную камеру к боковому порту визуализации микрофлюидной платформы.
- Используйте внешний функциональный генератор сигналов для запуска высокоскоростной записи с интервалом в 10 с в течение всего времени создания микропузырьков. Подключите выход запуска TTL генератора сигналов к внешнему входу запуска высокоскоростной камеры с помощью стандартного кабеля BNC для обеспечения синхронизированного захвата данных. Этот мониторинг необходим для оценки формы газовой нити и стабильности размера микропузырьков во время производства.
ПРИМЕЧАНИЕ: Непрерывный мониторинг важен, так как во время производства может произойти засорение. Кроме того, высокоскоростные последовательности изображений используются для извлечения распределений микропузырьков по размерам на кристалле с временным разрешением. Этот интервал в 10 секунд может быть скорректирован в зависимости от требований пользователя».
7. Получение и определение характеристик монодисперсных микропузырьков
- Перед началом производства настройте сборную пробирку, как показано на рисунке 4A. Проткните одну иглу через резиновую пробку, которая будет служить иглой для сбора, а другую иглу через пробку в качестве иглы для вентиляции, при этом кончик иглы будет расположен на дне флакона. Во время производства держите собирательную пробирку перевернутой с помощью зажима.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вентиляционная игла обеспечивает постоянное давление внутри флакона во время сбора. Поскольку C4F10 тяжелее воздуха, он не выходит из флакона самопроизвольно.
- Загрузите приготовленный фосфолипидный раствор в Р-насос микрофлюидной платформы.
- Переместите сопловую часть чипа в поле зрения объектива.
ПРИМЕЧАНИЕ: Микрофлюидная платформа включает в себя внутренний оптический модуль с регулируемым зумом и фокусировкой, а также внешний соединитель F-mount для крепления высокоскоростной камеры.
- Чтобы начать образование микропузырьков, установите давление газа на 800 мбар и расход жидкости на 40 μл/мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Микрофлюидная платформа объединяет два жидкостных канала с регулируемым потоком, 1-5 мкл/мин слева и 1-100 мкл/мин справа, а также один газовый канал с регулируемым давлением. В этом протоколе использовался жидкостный канал со скоростью 1-100 мкл/мин и газовый канал с регулируемым давлением.
- Как только жидкость достигает сопла, газовая нить отщипывается и выпускает монодисперсные микропузырьки через выпускное отверстие (рисунок 4A).
- Установите высокоскоростную запись на частоту кадров ≥ 200 000 кадров в секунду и используйте высокоскоростную запись для измерения размера образующихся микропузырьков с помощью функции imfindcircles в MATLAB.
- Отрегулируйте давление газа и расход жидкости, чтобы контролировать размер микропузырьков.
ПРИМЕЧАНИЕ: После регулировки расхода и/или давления газа используйте скрипт MATLAB для построения графика распределения размеров на кристалле по высокоскоростной записи. Подгоняя распределение по размерам к распределению Гаусса, можно получить среднее μ и σ стандартного отклонения. μ представляет собой размер на кристалле производимых монодисперсных микропузырьков. Коалесценция микропузырьков может произойти на начальном этапе производства из-за остаточной воды Milli-Q в трубке, которая разбавляет концентрацию липидов. Эта проблема обычно решается после того, как неразбавленный липидный раствор достигает сопла. В таблице 2 обобщены полученные диаметры микропузырьков для нескольких прикладываемых скоростей потока при постоянном давлении газа 800 мбар; Различные комбинации давления газа и расхода жидкости могут создавать микропузырьки одинакового размера, хотя различные комбинации параметров также влияют на скорость производства. Известно, что при постоянном расходе газа производительность положительно коррелирует со скоростью потока жидкости41. Скорость образования микропузырьков в этом протоколе составляет порядка ~105 микропузырьков в секунду, основываясь на покадровом анализе высокоскоростных записей, что согласуется с ранее сообщенными значениями для аналогичных геометрий фокусировки потока37.
- Как только желаемый размер микропузырьков будет достигнут, соберите образовавшиеся микропузырьки, подсоединив выпускную трубку к собирательному флакону.
- Во время сбора данных настройте высокоскоростную запись на срабатывание каждые 10 секунд для контроля производственного процесса.
ПРИМЕЧАНИЕ: Интервал между записями может быть скорректирован в зависимости от конкретных требований.
- После того как будет собрано достаточное количество микропузырьковой суспензии, извлеките вентиляционную иглу и собирательную иглу из собирательного флакона.
- Остановите поток жидкости, а затем поток газа.
- Храните собранные микропузырьки в вертикальном положении при комнатной температуре, обеспечивая минимальное механическое перемешивание флакона.
ПРИМЕЧАНИЕ: Раствор микропузырьков будет иметь три слоя, как показано на рисунке 5A: слой пены, слой монодисперсного микропузырька и субнатант. Лучше всего оставить слой пены во флаконе, так как предыдущие исследования показали, что пузырьки, связанные с пеной, могут постепенно сжиматься до размера16,38 монодисперсии. Микропузырьки, полученные с использованием этого протокола, не подвергались нормативной оценке безопасности. Тем не менее, составляющие липиды (DSPC, DPPE-PEG5000) и поверхностно-активное вещество (Pluronic F68) обычно используются в одобренных FDA инъекционных формах и считаются биосовместимыми42,43. Требуется дальнейшая доклиническая оценка для установления безопасности для медицинского использования.
- Через 2 часа после обработки (т.е. через 2 часа после производства монодисперсных микропузырьков) определить окончательный размер и концентрацию микропузырьков с помощью машины для определения характеристик частиц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Монодисперсные микропузырьки, полученные методом фокусировки потока, требуют примерно 90 минут для стабилизации до их конечного размера44. Поэтому рекомендуется дать не менее 2 часов стабилизации перед использованием микропузырьков.
- Прикрепите иглу 19 G к мл-шприцу, далее именуемому «экстракционным шприцем».
- Вставьте отдельную иглу 19 G во флакон с микропузырьками в качестве иглы для вентиляции. Убедитесь, что кончик иглы остается в верхней части флакона, чтобы обеспечить поступление воздуха и поддерживать внутреннее давление во время экстракции микропузырьков.
- Аккуратно взболтайте флакон, чтобы гомогенизировать суспензию. Суспензия будет разделена на три слоя: верхний слой пены, средний слой, содержащий монодисперсные микропузырьки, и нижний водный слой.
- Быстро введите шприц для экстракции и осторожно расположите кончик иглы в середине слоя монодисперсных микропузырьков, избегая пены и опуская водный субтонирующий слой. Извлеките нужный объем микропузырьковой суспензии и извлеките шприц для экстракции из флакона. Когда извлечение микропузырьков будет завершено, извлеките иглу для вентиляции.
8. Порядок очистки и отключения
ПРИМЕЧАНИЕ: После производства микропузырьков микрофлюидная платформа и чип должны быть тщательно очищены, чтобы обеспечить надлежащее функционирование и возможность повторного использования чипа. Следующие шаги описывают процесс очистки.
- Для чипа действуйте следующим образом:
- Замените липидный флакон на флакон с водой Milli-Q.
- Промывайте микрофлюидный чип под давлением газа 800 мбар и расходом жидкости 40 мкл/мин в течение 5 минут.
- Сначала остановите поток жидкости, а затем остановите поток газа.
- Отсоедините только входную трубку газа от микрофлюидного чипа.
- Заполните микрофлюидный чип водой Milli-Q для поддержания гидрофильности внутренних поверхностей.
- Остановите поток жидкости и отсоедините все оставшиеся трубки от чипа.
- Храните чип в воде Milli-Q до тех пор, пока он не понадобится для использования в будущем.
- Для микрофлюидной системы действуйте следующим образом:
- Замените флакон с водой Milli-Q флаконом с 70% этанолом на микрофлюидной платформе.
- Промойте входную трубку жидкости 70% этанолом со скоростью потока 100 мкл/мин в течение 5 минут, чтобы удалить остатки липидов.
- Замените флакон с этанолом на флакон с водой Milli-Q в P-Pump1.
- Промойте трубку водой Milli-Q со скоростью 100 мкл/мин в течение 5 минут, чтобы удалить остатки этанола из системы. Теперь система чистая.
- Отключите микрофлюидную платформу и систему высокоскоростных камер.
9. Действия по устранению неполадок
- Засорение форсунок
ПРИМЕЧАНИЕ: Учитывая небольшой размер сопла (5 мкм), в процессе производства могут возникать засоры. Чтобы устранить засор, выполните следующие действия.
- Немедленно остановите поток жидкости, а затем поток газа.
- Подсоедините трубки в соответствии с конфигурацией, показанной на рисунке 3B.
- Замените флакон, наполненный фосфолипидами, флаконом, наполненным водой Milli-Q, в P-Pump1.
- Примените давление газа 1000 мбар и установите расход жидкости на 100 мкл/мин на 5 мин, чтобы промыть сопло.
ПРИМЕЧАНИЕ: В большинстве случаев засоры устраняются после 5-минутного полоскания. Однако, если блокировка не устранена, может потребоваться замена чипа PDMS на новый.
- Как только засор будет устранен, снова подсоедините трубку, как показано на рисунке 3C.
- Снова промойте чип водой Milli-Q в течение 5 минут, используя давление газа 1000 мбар и расход жидкости 50 мкл/мин, чтобы обеспечить полный очиститель.
- Замените наполненный водой флакон Milli-Q флаконом, наполненным фосфолипидами, в P-Pump1 и возобновите производство микропузырьков.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если засорение не прекращается во время производства, это может указывать на недостаточную очистку трубки или микрофлюидного чипа. В этом случае отсоедините трубку от чипа и следуйте процедуре очистки, описанной в шаге 5. Если засорение продолжает происходить после тщательной очистки всей системы, это может указывать на неисправность внутреннего фильтра в микрофлюидной платформе. Замена фильтра на новый может решить проблему.
- При желании используйте микрофлюидный чип повторно.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если чип не хранится должным образом, он может потерять гидрофильность. В этом случае защемление газовой нити может напоминать рисунок, показанный на рисунке 5E. В таких случаях рекомендуется перейти на новую микросхему, которая является гидрофильной, чтобы обеспечить стабильное и надежное образование микропузырьков.