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使用微流控整体装置从血液中分离完整细菌

使用微流控整体装置从血液中分离完整细菌

使用微流控整体装置从血液中分离完整细菌

新兴单细胞诊断技术依赖于从复杂的生物基质中快速有效地分离细菌的潜力。在表在《微系统与纳米工程》上的一项研究中,美国机械工程、化学生物分子工程和生物工程跨学科部门的Jung Y. Han和同事开发了一种利用微流体多孔二氧化硅单体从全血液中分离出完整活菌的装置。实现了机械溶血,同时提供完整和活的细菌通过单体大小为基础的细菌分离和选择性裂解通道。

研究探索了整体形态、几何形状和流动条件对细胞裂解的影响,以及允许多种革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌选择性细胞裂解和选择性通过的流动状态。采用的技术结合单细胞拉曼光谱可以快速制备样品并进行细菌分析。该研究提供了独特的样品制备步骤,以支持快速和无培养的细菌分析,在医疗点生物医学设备的应用。血液中的细菌可导致败血症、组织感染等严重状况,需要及早发现血源性细菌才能有效治疗。

利用定点诊断快速识别细菌的能力,可以极大地提高早期感染最佳治疗的临床潜力。现有黄金标准细菌特征是基于表型细胞培养分析和需要至少24小时收集样本、分析在诊断、临床微生物学实验室。现有技术是稳定和便宜的,但不能生成及时指导治疗的初始阶段结果。在本研究中,探索了微流控装置与多孔二氧化硅单体作为简单的通流元件,用于选择性血细胞分析和细菌的完整分离,单体是由具有流体扭曲路径开放细胞形态组成的多孔材料。

使用微流控整体装置从血液中分离完整细菌

科学家可以在细胞灌注过程中通过高机械表面应力来控制整体孔的形态,从而实现细胞的机械溶血,同时允许完整、活的细菌通过弯曲流动路径进行无培养分离。研究对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌采用全血流动条件下细菌选择性传代的方法,尽管菌株不同。高通量选择性单核细胞裂解技术与拉曼光谱等强大的分析方法相结合,可以在单个细胞水平上对全血中的细菌进行无培养分析。研究对之前的二氧化硅单体合成工艺进行了改进,然后水解和缩合二氧化硅,在低温下形成二氧化硅玻璃。

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为了制备二氧化硅单体,科学家们使用了由烷基硅酸盐、聚乙二醇(PEG)作为致孔剂、尿素作为羟基离子来源的前驱体溶液,以尽量减少异质性和乙酸。当优化合成工艺时,得到的单体是均匀的,并且很好地固定在硅毛细管壁上。科学家们测量了最终骨骼整体结构的厚度,并用高效液相色谱法计算了其渗透性,以控制实验条件。为了最大限度地减小内部变化,将产生的毛细管切割成5厘米长的段,在使用前测试渗透率。

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然后研究人员开发了两种互补的低通量和高通量操作方法,将二氧化硅单体集成到微流体系统中。为了实现低通量操作,科学家们在热塑性微流体芯片中嵌入了含有单体的毛细管段,以在集成过程中保护单体。对于高通量选择性裂解,使用了微流体装置中具有较大横截面积的单体。完整的制作方法为全血灌注过程中无泄漏操作提供了良好可靠性。研究人员选择阴沟肠杆菌(革兰氏阴性,杆状菌)和3种革兰氏阳性菌作为原理验证,探讨其传输率;乳酸乳球菌、黄体微球菌和枯草芽孢杆菌。

使用微流控整体装置从血液中分离完整细菌

在实验过程中,用不同几何形状和流动条件的微流体单体灌注细菌溶液,利用动态光散射(DLS)检测细菌的通过和血细胞的裂解。例如,纯化后的阴沟肠杆菌经单块体灌注后,DLS峰没有明显变化,表明细菌的通道完整。科学家们证明了多孔整体器的长度对红细胞裂解效率的影响。结果表明,当单核细胞长度大于1mm时,红细胞裂解效率显著提高。也研究了白细胞(WBCs)在单核细胞装置运行过程中的命运,细胞在不被类似RBCs的裂解的情况下无法通过单核细胞。

从技术上讲,红细胞变形为盘状,通过单核细胞,导致膜张力显著增加,导致红细胞裂解。相比之下,细菌细胞的尺寸与单粒石孔隙相似,因此成功通过而不破裂需要更少的细胞壁膨胀。科学家们优化了设备参数,使不同细菌能够承受高水平的膜应力而不破裂。进一步的发展确保了细菌的完整传代而不降解,并具有生存能力。为了获得高通量细菌通道,科学家们稀释了毛细管装置中的血液。然而,作为另一种选择,它们也可以扩大整体血液溶解的能力。

该装置处理超过400μL掺入细菌的全血,然后由于细胞裂解导致的堵塞以及由于多孔基质内捕获的完整白细胞(WBC)而显示出背压的显着增加。为了定位目标细菌,将一个沉积在玻璃载玻片上的样品,该样品经过了整块处理。通过手工扫描光学探针对样品进行单细胞拉曼分析。研究人员希望在未来利用选择性裂解技术,结合共焦拉曼显微镜来改进在确定的感兴趣的位置,以低浓度检测感兴趣菌株的过程。共焦拉曼显微镜工具与新兴的小型化手持系统结合起来,为快速便携的护理点设备铺平道路。

Copyright Science X Network/Thamarasee Jeewandara/Phys参考期刊《Nature Medicine》《PLoS ONE》《Microsystems & Nanoengineering》DOI: 10.1038/nm.3640DOI: 10.1371/journal.pone.0116837DOI: 10.1038/s41378-019-0063-4


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