CN113862112B - 微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法，涉及生物转染技术领域，该细胞转染系统包括复合碟体，复合碟体包括层叠设置的第一碟体与第二碟体，第一碟体与第二碟体中的一个盖设于另一个表面，第二碟体盖设于第一碟体的上表面时，第一碟体在朝向第二碟体的一侧表面开设有至少一组转染空间，转染空间包括微流道及第一存储槽与第二存储槽，第一存储槽与第二存储槽分别设于第一碟体的近圆心端与远圆心端，微流道的两端分别连通于第一存储槽与第二存储槽，微流道内设有用于对细胞进行挤压的限位口。本发明能够解决现有技术下细胞转染系统中细胞获取到的动力源较少，影响了细胞转染效率的问题。

Description

微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法

技术领域

本发明涉及生物转染技术领域，具体涉及一种微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法。

背景技术

微流控技术是指研究人员可以通过精妙的结构设计和先进微电子工艺以期达到对单个细胞进行力学、电学等物理加载。微尺度的电极技术、剪切力加载和局域加热技术与微流控技术相结合都能够用来使单个细胞膜产生暂时性通孔。结合了微流控技术的细胞转染技术相较于宏观的细胞转染技术具有明显的优势：1.可以对单细胞进行操纵并实现穿孔；2.同时可以在微观层面研究细胞膜穿孔的力学机理；3.并且可以实现目标细胞高活性等。

离心微流控是以微机电技术为依托，将化学分析的采样、预处理、衍化、混合及检测等过程中涉及的阀、流动管道、混合反应器、加样、分离、检测等部件集成到CD形状的盘片上，以离心力为液流的驱动力，实现对液流检测分析的微流控体系。利用离心转速控制的原理，便可以通过程序轻易的控制实验的操作流程，对于检测人员只需要加入试剂，运行程序，便可以完成整个实验的流程得到实验结果。

细胞内输运(Intracellular Delivery)是将诸如基因、蛋白和生物大分子等纳米尺度外源性物质转染到目标细胞的胞体内并成功表达的过程。细胞转染是基因编辑、细胞治疗、再生医学和众多细胞研究领域的重要组成环节。尽管细胞转染在生物医学工程中扮演着重要角色，然而由于现有转染技术仍存在局限性，发展高效、通用、低成本和无损伤的转染方法仍然是重大的技术需求。

机械挤压(Cell Squeezing)指的是当细胞通过大约为其直径一半大小的微流控机械流道时，细胞会产生大的形变并在细胞膜上产生大量通孔。该方法于2013年被美国麻省理工学院的Ranger课题组首次报道于美国科学院院刊上。研究人员发现当细胞受到微流道侧壁挤压后会产生细胞膜上暂时性通孔，外源物质如蛋白、核酸、量子点、碳纳米管和其他纳米材料都能穿过细胞膜上通孔进入到目标细胞体内。

现有技术中基于机械挤压的转染方法最大的特点是器件简单，不需要其它的能量来源，细胞膜的暂时性通孔是由流体通过微流道侧壁与细胞相互挤压产生，然而，流体在通过流道时细胞获取到的动力源较少，这将在一定程度上影响了细胞的转染效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法，旨在解决现有技术下细胞转染系统中细胞获取到的动力源较少，影响了细胞转染效率的问题。

为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

本发明的一方面在于提供一种微流控离心式挤压的细胞转染系统，包括复合碟体，所述复合碟体包括层叠设置的第一碟体与第二碟体，所述第一碟体与所述第二碟体中的一个盖设于另一个表面，所述第二碟体盖设于所述第一碟体的上表面时，所述第一碟体在朝向所述第二碟体的一侧表面开设有至少一组转染空间，所述转染空间包括微流道及第一存储槽与第二存储槽，所述第一存储槽与所述第二存储槽分别设于所述第一碟体的近圆心端与远圆心端，所述微流道的两端分别连通于所述第一存储槽与所述第二存储槽，所述微流道内设有用于对细胞进行挤压的限位口。

根据上述技术方案的一方面，所述第一存储槽设于所述第一碟体的近圆心端，所述第二存储槽设于所述第一碟体的远圆心端。

根据上述技术方案的一方面，所述转染空间还包括第一注液槽与第二注液槽，分别与所述第一存储槽连通，并分别用于存储、输送待转染细胞与转染物质。

根据上述技术方案的一方面，所述第一注液槽与所述第二注液槽设于所述第一碟体上所述第一存储槽的近圆心端。

根据上述技术方案的一方面，所述第一碟体上还设有微流阀，所述微流阀设于所述第二存储槽的下方并与所述第二存储槽连通。

根据上述技术方案的一方面，所述微流道包括相互连通的直状部与弯曲部，所述直状部的两端分别与所述第一存储槽与所述弯曲部连通，所述弯曲部的两端分别与所述第二存储槽与所述直状部连通。

根据上述技术方案的一方面，所述挤压口设于所述直状部内。

根据上述技术方案的一方面，所述直状部的间隙由两端向中央逐渐减小以形成所述挤压口。

根据上述技术方案的一方面，所述转染空间设有多组，多组所述转染空间沿着所述第一碟体的周向间隔设置。

本发明的另一方面在于提供一种细胞转染方法，应用于上述技术方案中所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，所述方法包括：

提供一复合碟体，所述复合碟体包括第一碟体与第二碟体；

在所述第一碟体的转染空间内分别注入待转染细胞与转染物质，将所述第二碟体盖合至所述第一碟体上得到一密闭的复合碟体；

将所述复合碟体放置在一离心平台上，启动所述离心平台，以使所述转染空间内的待转染细胞与转染物质在离心作用力下经过所述微流道，待转染细胞在微流道内的限位口的挤压作用下发生短暂细胞膜破裂，转染物质通过短暂破裂的细胞膜进入待转染细胞内，完成细胞转染。

采用本发明所示的微流控离心式挤压的细胞转染系统及细胞转染方法，在具体实施时，将复合碟体安装在离心平台的输出端时，离心平台驱动复合碟体绕着输出端转动。当复合碟体处于低转速离心时，液体在转染空间内向出口端会形成一液气表面，此时液体的内部有来自离心作用下所形成的液体压力，而在液气表面上会因表面张力产生一阻止液体前进的毛细压力。当液体压力低于毛细压力时，液体会保留在第一存储槽中，而随着离心平台转速提高，液体压力随之增加，直到液体所受的离心力大于毛细压力时，便会突破微流道的限位口，待转染细胞在离心力的作用下通过微流道。此时细胞的细胞膜被限位口挤压，在短时间内发生细胞膜破裂，转染物质在第二存储槽内通过暂时破裂的细胞膜进入细胞内，一段时间后细胞的细胞膜恢复，完成各种转染物质的细胞内输运。

本发明的附加方面与优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例中微流控离心式挤压的细胞转染系统中第一碟体与第二碟体的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中微流控离心式挤压的细胞转染系统的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中微流控离心式挤压的细胞转染系统中第一碟体的结构示意图；

图4为图3中A部放大示意图；

图5为本发明第二实施例中微流控离心式挤压的细胞转染系统中第一碟体的结构示意图；

图6为本发明第三实施例中细胞转染方法的流程示意图；

附图元器件符号说明：

第一碟体10、转染空间11、微流道110、直状部110a、弯曲部110b、限位口110c、第一存储槽111、第二存储槽112、第一注液槽113、第二注液槽114、微流阀12、第二碟体20、离心平台30、输出端31。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征与优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造与操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定与限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的与所有的组合。

本发明的第一实施例提供了一种微流控离心式挤压的细胞转染系统，该细胞转染系统包括复合碟体，复合碟体包括层叠设置的第一碟体10与第二碟体20，第一碟体10与第二碟体20均采用透明材质制成，例如亚克力面板等。第一碟体10与第二碟体20中的一个盖设于另一个表面，当第一碟体10与第二碟体20相互盖合时，第一碟体10与第二碟体20可以通过例如卡扣结构、螺纹结构等连接结构进行固定连接，从而将其连为一个整体，当然，第一碟体10与第二碟体20的连接结构应当尽量的满足两组之间需要满足快速拆装的工作属性。

其中，第一碟体可以盖设在第二碟体的上表面，也可以是第二碟体盖设在第一碟体的上表面。在本实施例当中，第一碟体为载体，设于底部，用于承载转染对象，例如待转染细胞与转染物质等，第二碟体盖设在第一碟体的上表面用于防止转染过程中将转染对象甩出。

具体而言，第二碟体20盖设于第一碟体10的上表面时，第一碟体10在朝向第二碟体20的一侧表面开设有至少一组转染空间11，转染空间11包括微流道110及第一存储槽111与第二存储槽112，微流道110的两端分别连通第一存储槽111与第二存储槽112，其中，微流道110内设有用于对细胞进行挤压的限位口110c，限位口110c的直径仅有细胞直径的一半大小，第一存储槽111与第二存储槽112分别设于第一碟体10的近圆心端与远圆心端，分别用于存储转染前的待转染细胞与转染物质与转染后的转染细胞。

在此应当说明的是，近圆心端指更靠近第一碟体10圆心的范围，反之，远圆心端指更远离第二碟体20圆心的范围。例如第一碟体10的半径为10cm，则近圆心端与远圆心端的分界线可以为半径5cm处的周长连线。

为了便于将待转染细胞与转染物质分别注入第一存储槽111内，转染空间11还包括第一注液槽113与第二注液槽114，分别与第一存储槽111连通，并分别用于存储、输送待转染细胞与转染物质。并且为了保证第一注液槽113内与第二注液槽114内的待转染细胞与转染物质能够在离心作用力下进入第一存储槽111内，第一注液槽113与第二注液槽114设于第一碟体10上第一存储槽111的近圆心端。也即第一存储槽111设于第一注液槽113与第二注液槽114的外围，复合碟体在转动时，在离心力作用下，第一注液槽113与第二注液槽114内的待转染细胞与待转染物质将进入第一存储槽111内。

为了便于对第二存储槽112内已完成细胞转染后的细胞悬浮液进行取样，第一碟体10上还设有微流阀12，微流阀12设于第二存储槽112的下方并与第二存储槽112连通。在实际使用时，可以通过例如吸耳球将存储于第二存储槽112内的细胞悬浮液吸出得到细胞悬浮液的样品。

其中，转染空间11可以同时设置多组，每组转染空间11互不连通，因此每组转染空间11可以相互独立的工作。示例而非限定，本实施例当中所示的第一碟体10同时具有15组转染空间11，15组转染空间11沿着第一碟体10的周向间隔设置。

采用本实施例当中所示的微流控离心式挤压的细胞转染系统，在具体实施时，将复合碟体安装在离心平台30(例如离心机)的输出端31时，离心平台30驱动复合碟体绕着输出端31转动。当复合碟体处于低转速离心时，液体在转染空间11内向出口端会形成一液气表面，此时液体的内部有来自离心作用下所形成的液体压力，而在液气表面上会因表面张力产生一阻止液体前进的毛细压力。当液体压力低于毛细压力时，液体会保留在第一存储槽111中，而随着离心平台30转速提高，液体压力随之增加，直到液体所受的离心力大于毛细压力时，便会突破微流道110的限位口110c，待转染细胞在离心力的作用下通过微流道110。此时细胞的细胞膜被限位口110c挤压，在短时间内发生细胞膜破裂，转染物质在第二存储槽112内通过暂时破裂的细胞膜进入细胞内，一段时间后细胞的细胞膜恢复，完成各种转染物质的细胞内输运。

本发明的第二实施例提供了一种微流控离心式挤压的细胞转染系统，与第一实施例当中所示的细胞转染系统结构基本相似，不同之处在于：

本实施例当中，微流道110包括相互连通的直状部110a与弯曲部110b，直状部110a的两端分别与第一存储槽111与弯曲部110b连通，弯曲部110b的两端分别与第二存储槽112与直状部110a连通，弯曲部110b用于增加细胞悬浮液的离心作用力，从而提升细胞悬浮液的混合度。

其中，挤压口设于直状部110a内，直状部110a的间隙由两端向中央逐渐减小以形成挤压口。

本发明的第三实施例提供了一种细胞转染方法，本发明所示的细胞转染方法应用于上述实施例中所示的微流控离心式挤压的细胞转染系统，方法包括：

步骤S10，提供一复合碟体，复合碟体包括第一碟体与第二碟体；

步骤S20，在第一碟体的转染空间内分别注入待转染细胞与转染物质，将第二碟体盖合至第一碟体上得到一密闭的复合碟体；

步骤S30，将所述复合碟体放置在一离心平台上，启动所述离心平台，以使所述转染空间内的待转染细胞与转染物质在离心作用力下经过所述微流道，待转染细胞在微流道内的限位口的挤压作用下发生短暂细胞膜破裂，转染物质通过短暂破裂的细胞膜进入待转染细胞内，完成细胞转染。

其中，当复合碟体处于低转速离心时，液体在转染空间内向出口端会形成一液气表面，此时液体的内部有来自离心作用下所形成的液体压力，而在液气表面上会因表面张力产生一阻止液体前进的毛细压力。当液体压力低于毛细压力时，液体会保留在第一存储槽中，而随着离心平台转速提高，液体压力随之增加，直到液体所受的离心力大于毛细压力时，便会突破微流道的限位口，待转染细胞在离心力的作用下通过微流道。此时待转染细胞的细胞膜被限位口挤压，在短时间内发生细胞膜破裂，转染物质在第二存储槽内通过暂时破裂的细胞膜进入细胞内，一段时间后细胞的细胞膜恢复，完成各种转染物质的细胞内输运。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体与详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形与改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种微流控离心式挤压的细胞转染系统，包括复合碟体，所述复合碟体包括层叠设置的第一碟体与第二碟体，所述第一碟体与所述第二碟体中的一个盖设于另一个表面，其特征在于，所述第二碟体盖设于所述第一碟体的上表面时，所述第一碟体在朝向所述第二碟体的一侧表面开设有至少一组转染空间，所述转染空间包括微流道及第一存储槽与第二存储槽，所述第一存储槽与所述第二存储槽分别设于所述第一碟体的近圆心端与远圆心端，所述微流道的两端分别连通于所述第一存储槽与所述第二存储槽，所述微流道内设有用于对细胞进行挤压的限位口；

其中，所述微流道包括相互连通的直状部与弯曲部，所述直状部的两端分别与所述第一存储槽与所述弯曲部连通，所述弯曲部的两端分别与所述第二存储槽与所述直状部连通，所述挤压口设于所述直状部内。

2.根据权利要求1所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，其特征在于，所述转染空间还包括第一注液槽与第二注液槽，分别与所述第一存储槽连通，并分别用于存储、输送待转染细胞与转染物质。

3.根据权利要求2所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，其特征在于，所述第一注液槽与所述第二注液槽设于所述第一碟体上所述第一存储槽的近圆心端。

4.根据权利要求1所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，其特征在于，所述第一碟体上还设有微流阀，所述微流阀设于所述第二存储槽的下方并与所述第二存储槽连通。

5.根据权利要求1所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，其特征在于，所述直状部的间隙由两端向中央逐渐减小以形成所述挤压口。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，其特征在于，所述转染空间设有多组，多组所述转染空间沿着所述第一碟体的周向间隔设置。

7.一种细胞转染方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的微流控离心式挤压的细胞转染系统，所述方法包括：

提供一复合碟体，所述复合碟体包括第一碟体与第二碟体；

在所述第一碟体的转染空间内分别注入待转染细胞与转染物质，将所述第二碟体盖合至所述第一碟体上得到一密闭的复合碟体；

将所述复合碟体放置在一离心平台上，启动所述离心平台，以使所述转染空间内的待转染细胞与转染物质在离心作用力下经过所述微流道，待转染细胞在微流道内的限位口的挤压作用下发生短暂细胞膜破裂，转染物质通过短暂破裂的细胞膜进入待转染细胞内，完成细胞转染。