[发明专利]一种用于细胞-微珠捕获配对的微流控芯片

说明书

本发明公开了一种用于细胞‑微珠捕获配对的微流控芯片，包括介电泳捕获部、微井收集部、裂解埋层电极部。利用介电泳捕获部的双层结构电极加电产生的介电泳力和电极周期性的捕获凹槽捕获微珠和细胞，实现细胞和微珠的双重高效捕获和配对，捕获后停止介电泳激励通过重力作用使微珠和细胞沉降至微井收集部的微井中，使微珠和细胞在微井收集部的微井中形成一对一配对收集。配对完成后由介电泳捕获部的双层结构电极和裂解埋层电极部的液体电极构成的裂解电极加电使细胞裂解。本发明采用介电泳的主动控制机制完成细胞和微珠的轨迹控制和最终捕获，能够处理高通量样本并缩短捕获时间，缩短了研发和制造时间并且降低了成本。

技术领域

本发明属于微流控芯片技术中的微粒控制技术领域，具体涉及一种用于细胞-微珠捕获的微流控芯片。

背景技术

细胞是生物体结构和功能的基本单位。在研究生物体解复杂组织的功能、探索疾病发病机理的过程中，对细胞的基因表达分析至关重要，而单细胞转录组测序(singlecellRNAsequencing,scRNA-seq)为基因表达分析的一种强大工具。Tang等在2009年首次提出了单细胞转录组测序技术(singlecellRNAsequencing,scRNA-seq)。基于从整个转录组获得的大量数据，scRNA-seq提供了关于基因表达及其调节的完整信息，能够准确描述细胞的类型和状态。如今单细胞RNA测序技术能够快速确定成千上万个细胞的基因表达情况，分析相同基因细胞的的表型异质性，并应用于神经生物学、器官生长、癌症生物学、临床诊断、免疫学、微生物学、胚胎学、产前基因诊断等多个领域。

随着分子条形码技术以及微流控测序文库制备平台的发展，现有技术已经能够对成千上万个细胞进行单细胞转录组测序。单细胞转录组测序最常用的技术之一是将单个细胞与唯一的条形码微珠实行一对一的捕获配对的方式制备测序文库。近年来，众多研究者开发了多种技术来实现这一功能并致力于效率的提升。例如，Zheng等人设计了一种基于液滴的系统，该系统使用GemCode微珠能够对数万个单细胞进行RNA测序，细胞捕获效率大约为50％。Moon等人利用基于螺旋通道的微流控平台在封装细胞之前等距排列高浓度微珠，有效避免了同一液滴内封装多个微珠的问题。然而，基于液滴的技术对于细胞和微珠的捕获仍然具有随机性，配对效率仍然受限，因而技术无法处理低输入样本(500)；同时该技术对外围设备的依赖(例如精确的液滴生成流体控制系统)限制了系统的便携性。基于微井阵列结构的细胞微珠大规模配对方法作为另一项单细胞转录组测序的代表性技术也在多个应用场景中得到了应用，但其随机配对的特点仍然会造成细胞和微珠配对的效率受到泊松分布的限制。因此，提升配对效率并简化操作、降低成本的技术成为单细胞转录组测序技术的发展趋势。研究者致力于采用辅助手段——如流场、电场控制等——来提升捕获配对效率。

介电泳(dielectrophoresis,DEP)是一种基于电场作用的微粒的主动控制机制，具体指悬浮在介质中的可极化粒子在非均匀电场下的运动，具有免标记和非接触的优点。介电泳力的大小取决于粒子的体积、粒子与周围介质的介电特性、所施加电场的频率、场强及场强梯度。随着微流控技术的发展，集成了介电泳电极的微流控平台已被广泛应用于多种细胞类型的操控和分选，包括细菌、真菌、血细胞、干细胞、肿瘤细胞等，并进一步延伸到纳米级别的生物颗粒(如DNA、蛋白质、病毒等)的操作。目前介电泳技术已经展现出应用在scRNA-seq中以提升细胞捕获效率的潜力，例如，RongFan等开发了集成介电泳捕获功能的纳米井转移方法来辅助scRNA-seq中细胞的高效捕获，突破细胞和微珠捕获的双泊松分布极限。然而目前运用介电泳辅助捕获的技术十分有限，并且仅限于细胞操作，并没有充分利用介电泳的微粒控制能力达到细胞和微珠捕获效率的双重提升，因此捕获配对效率仍有很大的上升空间。此外，现有技术利用的是传统介电泳金属薄膜电极，介电泳力的空间控制范围十分有限；并且该电极配置需要较为繁复且高成本的电极、流道分步加工和对准的工艺。

发明内容