基于交叉窄通道可选择性持续流的细胞电穿孔系统及方法与流程

本发明涉及细胞穿孔技术领域，尤其涉及一种基于交叉窄通道超低电压可选择性持续流的细胞电穿孔系统及方法。

背景技术：

电穿孔技术是一种使用高强度脉冲电场刺激目标细胞的细胞膜，短时间增加细胞膜通透性，从而使正常状态下很难穿透细胞膜的大分子(如蛋白质、DNA、病毒颗粒、药物颗粒等)转入细胞内的一种技术，可以被应用于进行细胞转染调控细胞蛋白表达作用等，或者用于单细胞级别的药物作用细胞的研究。相比于传统的化学穿孔和病毒穿孔方式，电穿孔技术具有无化学污染，毒害作用小，成本低，转染效率高等优点，在单细胞生物学，分子生物学、临床医学等领域有着广泛的应用前景。

传统的电穿孔技术，主要采用在细胞悬液中放置平行电极对电极间静止或流动的细胞进行电刺激(如美国专利U.S.Pat.5389069和中国专利CN1195997A)，这类方法一定程度上可以在极板间产生基本均匀的电场，可以对细胞进行电穿孔操作。但是由于电极板间距往往在厘米级别，而细胞直径在10微米级别，因此要在细胞周围产生实验所需要的1×10⁵V/m的电穿孔所需电场典型值，按照平板电极模型中电场与电压和距离(E＝U/d，其中E为电场，U为电压，d为距离)的关系需要施加典型值为1000V的电压脉冲，高电压脉冲无可避免将会产生阴极效应，对细胞产生巨大伤害。

微流控技术是一种基于微纳加工工艺制备微通道操控微升或纳升级别流体的技术，由于其尺度和细胞相比拟，可以方便进行单细胞级别的操作。微流控技术也被应用于电穿孔技术的改进，通过在流道中布置微电极，可以将电极间距减小到100微米级别，所需要的电压降低到10V至200V级别，降低了所需电脉冲系统的复杂性，带来了安全性。但是因为电极周围的电解作用带来的pH值改变和热量的产生，使得靠近电极的细胞容易受到伤害，虽然有技术(如中国专利CN101928666B)对此进行改进，但是由于需要有鞘流的存在，电极间距至少要大于细胞直径，而且为了防止细胞受到电极的伤害，因此电极间距要至少大于几倍的细胞直径，导致使用电压仍然较高，如示范应用使用80V电压。

由于真实样本中混杂多种不同细胞，不同细胞对电穿孔参数(如强度，时间等)具有差异性需求。传统方式对所有细胞进行操作，因此不具有可选择性。一般的基于微流控技术的电穿孔技术不具有可选择性，而类似技术(中国专利CN103320319B)通过可单点选通的多孔PCB电穿孔方式不能精准的实现单细胞级别的选择性电穿孔，类似技术(中国专利CN1995361A)通过介电电泳辅助细胞定位的方式对单细胞捕获后进行精准电穿孔，但是这种方式由于不是连续流的方式，存在通量低的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于交叉窄通道超低电压可选择性持续流的细胞电穿孔系统及方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于交叉窄通道的持续流细胞电穿孔系统，包括：微流控芯片、正负电极，微流控芯片包括：绝缘衬底及与绝缘衬底紧密结合的绝缘承载体，绝缘承载体内依次设置细胞流入通道、细胞穿行窄通道、第一导电&转入物引入通道、导电&转入物窄通道、第二导电&转入物引入通道和细胞回收通道；正负电极用于在细胞穿行过程中提供电场强度；细胞流入通道、细胞穿行窄通道和细胞回收通道贯通作为细胞穿行的通道，导电&转入物窄通道与细胞穿行窄通道交叉，并在两端通过第一、第二导电&转入物引入通道与正负电极相连接；细胞穿行窄通道横截面积小于细胞横截面积，导电&转入物窄通道横截面积小于在细胞穿行窄通道中拉伸的细胞的侧边横截面积。

根据本发明的另一个方面，提供了一种细胞电穿孔方法，包括如下步骤：

实验准备：将微流控芯片通道中的气泡排出，充入导电液体；在第一、第二导电&转入物引入通道中注入含有待转入物质的导电液体；在第一、第二导电&转入物引入通道中插入电极，连接可控电源；将负压控制器连接到微流控芯片的细胞回收通道或者将正压控制器连接到微流控芯片的细胞流入通道。

实施阶段：将细胞悬浮液注入细胞流入通道中；调节正压/负压，使细胞以需要的速度穿过细胞穿行窄通道；控制可控电源，在细胞穿过窄通道交叉点时，在窄通道交叉点形成所需强电场；至所需细胞都进行电穿孔后，停止实验。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一：

(1)可以持续高通量地对不同单细胞精确的有选择性的使用不同的电穿孔参数(如强度大小和刺激时间等)进行电穿孔操作；

(2)基于窄通道的方式，可以检测细胞尺寸，并且在前级可以接驳单细胞电学特性、力学特性等参数的检测系统，基于检测结果对电源电压、负压大小进行控制，从而实现使用不同电穿孔参数对细胞进行电穿孔操作；

(3)利用交叉窄通道结构，通过将细胞吸入横截面积比细胞横截面积小的窄通道中，所需施加电压超低，而且电极在窄通道交叉点的远端，远离细胞，消除了电压副作用对细胞带来的伤害。

附图说明

图1为本发明实施例的细胞电穿孔系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的细胞电穿孔的过程示意图及等效电路；

图3为本发明实施例的细胞电穿孔系统中电场分布仿真图；

图4为本发明实施例的单细胞通过窄通道交叉点的实验结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种基于交叉窄通道可选择性持续流的细胞电穿孔系统。附图1为本发明实施例的细胞电穿孔系统的结构示意图。如附图1所示，本发明的基于交叉窄通道可选择性持续流的细胞电穿孔系统包括：微流控芯片、正负电极、可控直流电源和负压控制器。其中，微流控芯片包括：绝缘衬底及与其紧密结合的绝缘承载体，绝缘承载体内依次设置细胞流入通道、细胞穿行窄通道、第一导电&转入物引入通道、导电&转入物窄通道、第二导电&转入物引入通道和细胞回收通道。其中细胞流入通道、细胞穿行窄通道和细胞回收通道贯通作为细胞穿行的通道，导电&转入物窄通道与细胞穿行窄通道交叉(垂直交叉或非垂直交叉)，并在两端通过第一、第二导电&转入物引入通道与正负电极相连接。可控直流电源与正负电极连接，用于生成不同参数的电压。负压控制器与细胞回收通道连接，用于驱使细胞从细胞流入通道穿行到细胞回收通道。

其中所有通道中充满导电溶液，导电&转入物窄通道与细胞穿行窄通道中的溶液中还包含待转入物质，细胞流入通道中包含悬浮单细胞。在负压的作用下，细胞依次穿过细胞穿行窄通道，同时，控制直流电源在细胞穿行过程中施加电压，细胞在穿过交叉点时，与待转入物质接触，在瞬间强电场的作用下，细胞膜表面形成纳米孔结构，待转入物质进入到细胞内部，之后细胞继续穿行到回收通道中被回收。

绝缘衬底可以是玻璃片、聚酸甲酯(Polymethylmethacrylate，简称PMMA，英文Acrylic，又称做压克力、亚克力或有机玻璃)或聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，简称PDMS)片等绝缘片状材料，上述材质保证为绝缘体。

本实施例中，绝缘承载体的材料为PDMS，绝缘承载体由PDMS材料注塑成型，上述的通道在注塑成型的过程中形成，本领域技术人员应当清楚，除了PDMS之外，还可以采用有机玻璃、玻璃、SU-8等透明可塑性材料来注塑形成上述绝缘承载体。通道的材料可以是PDMS、PMMA或者玻璃等材料，可以使用盖板加基板封接的形式形成通道，也可以在玻璃等材料内部刻蚀实现。

本实施例中，所述的细胞穿行窄通道，其结构特征是横截面积小于细胞横截面积(横截面直径特征尺寸为15微米)，截面为5至20微米对角线长度的矩形通道，而所述的导电&转入物窄通道，其结构特征是横截面积小于在细胞穿行窄通道中拉伸的细胞的侧边横截面，一般对角线特征尺寸为5至100微米的矩形通道。其中，细胞穿行窄通道、导电&转入物窄通道的矩形横截面，也可以被替换成圆形或者半圆形等形状。

本实施例中，可控电源采用公知技术，根据实施例需要，可以使用可控直流电源，控制形成大小为1mV至10V电压，也可以使用可控电脉冲发生器，可控电脉冲发生器产生电脉冲，其脉冲电压和宽度均可以调节，控制形成大小为1mV至10V脉宽为10微秒至无限大(即整个操作过程中不关断)的脉冲。与电源连接的电极可以为Ag/AgCl电极，甘汞电极，石墨电极、纯银电极等电极，也可以在基板上或者封盖上实现嵌入式电极，只要电极与通道中导电溶液接触。

本实施例中，负压控制器包括：密闭软管和负压源，其中密闭软管一端插入细胞回收通道中，一端连接至负压源。也可以在细胞流入通道中使用正压等方式来实现驱动细胞。

另外，在本实施例中形成的是单个交叉通道，也可以进行细胞穿行方向上的并联和串联排布，并将带来不同的效果，其中并联排布会带来通量的提升，串联排布会对穿行细胞进行可选择性的多脉冲电穿孔操作。

本实施例中，可以在细胞流入通道之前接驳单细胞特性检测系统(比如细胞电学检测系统、细胞蛋白检测系统等)，根据单细胞特性检测结果对电穿孔参数进行选择，实现针对不同的单细胞使用不同的电穿孔参数进行电穿孔操作。通过对单细胞特性检测后，可以根据细胞特性持续高通量的对单细胞有选择性精准地进行不同电穿孔参数的电穿孔操作。

利用本实施例的可选择性持续流细胞电穿孔系统进行电穿孔操作，包括两个主要步骤：即实验准备和电穿孔实施。

其中，实验准备阶段，先将微流控芯片通道中的气泡排出，充入导电液体(一般情况下，采用与细胞等渗透压的细胞培养液、磷酸盐缓冲液(phosphate buffered solution，简称PBS)或生理盐水，具体采用也与待转入物质有关)。然后，在第一、第二导电&转入物引入通道中注入一定量含有待转入物质的导电液体(一般情况下，其成分与用于排出气泡使用的导电液体以及细胞悬浮使用的导电液体相同，具体选用也与待转入物质有关)，在第一、第二导电&转入物引入通道中插入电极，连接可控直流电源。并且将负压控制器连接到微流控芯片的细胞回收通道。

电穿孔实施阶段的操作过程如附图2所示，首先将细胞悬浮液注入细胞流入通道中，调节负压，使细胞以需要的速度穿过细胞穿行窄通道，同时控制可控直流电源，在细胞穿过窄通道交叉点时，在窄通道交叉点形成所需强电场。至所需细胞都进行电穿孔后，停止实验。

在细胞穿过窄通道交叉点时，其简单的等效电路如附图2中的等效电路所示，微流控通道中的正负电极之间的电阻可以等效为与正极连接的通道电阻R_ch1，细胞周围没有完全填充溶液电阻R_leak和与负极连接的通道电阻R_ch2。此时，由于细胞在窄通道中被约束填充，周围没有完全填充溶液的截面积远小于窄通道，更远小于导电&转入物引入通道，根据电阻计算公式，细胞周围没有完全填充溶液电阻将会远大于与负极连接的通道电阻。根据基本电路原理，串联电路上电阻的分压与其电阻成正比，因此，正负极之间的压降主要集中在细胞周围没有完全填充溶液电阻R_leak上，根据并联原理，细胞在电流方向上的压降接近于正负极之间施加的电压。而在本实施例中的微流控通道结构中，电极与交叉点之间的间距为L_w，穿行窄通道的宽度(也即细胞宽度)为W_c，根据简单平行极板中电场强度与电压和距离的关系(即电场强度＝电压/距离)，将会在细胞周围形成一个强度约为正负电极间所施加电压U除以W_c，方向沿导电&转入物窄通道从正电极一侧指向负电极一侧，也即意味着细胞将在穿过窄通道交叉点的瞬间受到一个可以由电源电压控制的强电场，同时施加过程中细胞远离电极，不会受到电极电解等原因造成的伤害。

在细胞穿过窄通道交叉点时，其电场三围仿真结果如附图3所示。其中，(a)是仿真的结构和电场结果的整体图，仿真了一个横截面积占窄通道横截面积90％的长方体细胞(细胞在压缩通道中填充时近似认为是长方体)填充在窄通道交叉点位置时，在电极两端施加2V电压时，整体电场的分布。从(a)可以看出，电场线从导电&转入物引入通道的一侧电极指向另一侧导电&转入物引入通道的电极，而在窄通道的交叉位置聚集。(b)是窄通道交叉点局部的放大图，通过电场强度分布可以看出，在外部电极施加2V电压下，窄通道交叉点位置的细胞部分受到的电场强度可以达到1×10⁵V/m以上，(c)是(b)中直线AA’位置的电场强度分布图，进一步阐释了沿电场线方向，从导电&转入物引入通道到导电&转入物窄通道到交叉点位置再延伸至另一侧导电&转入物引入通道的电场强度的变化，可以说明，在窄通道交叉位置，也即细胞位置的电场强度达到了1×10⁵V/m，而此时所使用的电压仅为2V。

附图4为实验中，在2kPa的负压作用下，一个细胞从细胞穿行窄通道的一端(如图4的(a)所示)穿行通过窄通道交叉点(如图4的(b)所示)到达另一端(如图4(c)所示)的高速录像截图，可以看出，当细胞在窄通道的交叉点位置，拉伸的细胞在窄通道中有很高的填充程度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明中超低电压可选择性持续流细胞电穿孔系统有了清楚的认识。

本发明基于微流控技术，设计了一种交叉窄通道结构，并形成了一种基于交叉窄通道的单细胞精准电穿孔方法。该发明利用细胞运动方向的窄通道约束细胞，通过细胞的填充来增加细胞周围通道的电阻，再结合电流方向的窄通道将大部分的电源电压加载在细胞上，从而极大的降低了所需要的电源电压。通过将细胞吸入横截面积比细胞横截面积小的窄通道中，细胞将会拉伸填充窄通道，当拉伸的细胞经过交叉通道的交叉点时，由于不导电的细胞填充了大部分的通道，剩余通道部分的有效截面积变得很小，电阻变的极大，使得此处的分压接近于窄通道部分的分压，也意味着接近外部电源电压，而细胞所在部分，电场方向距离为10微米量级(不同细胞将会有尺寸微调)，因此要到达通常需要的1×10⁵V/m的电场强度，只需要施加1V量级直流电压就可以，而且电极在远离交叉点的远端，远离细胞，不会对细胞产生影响。

由于交叉窄通道电场分布特点，只有细胞通过窄通道交叉点才会受到强电场作用，因此通过调整细胞在窄通道中穿行时导电通道远端电极上所施加的电压幅值就可以调整细胞通过时所受电场强度。同时，电穿孔的电场作用时间基本上是细胞穿过交叉点的时候，而细胞在窄通道中高速穿行的时间主要取决于对其施加的拉力的大小，也就意味着可以通过调控所施加的负压或者其他作用力来调控细胞的穿越时间，也就是细胞受到电场作用的时间。同时由于是可持续流动的方式，所以可以可持续高通量的对单细胞进行操作。

基于窄通道的方式，可以检测细胞尺寸，并且在前级可以接驳单细胞电学特性、力学特性等参数的检测系统，基于检测结果对电源电压、负压大小进行控制。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。