CN104513785A - 一种细胞寻址微流控芯片、细胞分析装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细胞寻址微流控芯片、细胞分析装置及方法。所述芯片包括细胞培养通道、一对侧压通道、寻址通道、刺激通道和废液通道；工作时，芯片处于寻址状态，则寻址通道压力大于刺激通道；芯片处于刺激状态，则刺激通道压力大于寻址通道。所述细胞分析装置包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，芯片侧压通道、寻址通道和刺激通道的入口端通分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应液压；信号采集装置设置在细胞培养通道处，用于采集细胞信号或对细胞进行成像。本发明解决了现有基于微流控的细胞刺激方法中溶液切换时间、细胞环境控制、刺激位点的空间控制等方面存在的技术问题。

Description

一种细胞寻址微流控芯片、细胞分析装置及方法
技术领域
本发明属于医疗器械领域，更具体地，涉及一种微流控芯片、细胞分析装置及方法。
背景技术
细胞是除病毒以外自然界所有已知生命体的基本单位，是一切生命活动的基础，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命的关键。细胞通过信号转导对其微环境识别与应答的能力对于生物体的发育、组织修复以及免疫等至关重要。细胞刺激是研究细胞内信号转导、细胞间通讯以及高通量药物筛选的一个最有效途径。细胞在受到不同化学药物刺激时会引发细胞响应的时空变化，调节细胞的电生理活性从而影响细胞的生长、分化以及维持细胞的生理平衡。
微流控芯片技术以其微型化、集成化、自动化、高通量等优点，成为学术界和工业界共同关注的焦点之一，而其与细胞相似的特征尺度，以及芯片材料良好的生物兼容性等特点，使微流控芯片成为细胞生物学研究的理想平台。目前，基于微流控芯片的细胞刺激方法已见诸报道，依据其细胞刺激原理，可主要分为以下三种类型：1)层流界面转移，利用流体在微尺度下的层流效应，通过控制层流的界面位置，实现对细胞整体或局部的药物刺激；2)脉冲刺激，通过迅速切换微流体在通道中的有无，实现对通道下游细胞的药物刺激；3)光解释放，利用光解作用控制药物在通道内的释放时间与位置，从而达到刺激下游细胞的目的。实践证明，三种类型的方法都能有效实现对细胞的药物刺激，但是现有方法在溶液切换时间、细胞环境控制、刺激位点的空间控制等方面还有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种细胞寻址微流控芯片、细胞分析装置及方法，其目的在于通过对称设置的寻址通道和刺激通道，精确定位细胞，对细胞进行刺激，由此解决现有基于微流控芯片刺激细胞的方法中溶液切换时间、细胞环境控制、刺激位点的空间控制等方面有待提高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片，包括细胞培养通道、一对侧压通道、寻址通道、刺激通道和废液通道；所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道、寻址通道和刺激通道；所述侧压通道，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道和刺激通道对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道相连；
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道压力大于刺激通道；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道压力大于寻址通道。
优选地，所述微流控芯片，其所述侧压通道和细胞培养通道选择范围在15°至75°之间，优选45°。
优选地，所述微流控芯片，其所述废液通道为Y字型废液通道，夹角选择范围在15°至75°之间，优选40°。
优选地，所述微流控芯片，其所述寻址通道和刺激通道与相应废液通道夹角选择范围在15°至75°之间，优选50°。
按照本发明的另一方面，提供了一种所述微流控芯片的细胞分析装置，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道、寻址通道和刺激通道的入口端通分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应液压；所述信号采集装置，设置在细胞培养通道处，用于采集细胞信号或对细胞进行成像。
按照本发明的另一方面，提供了一种应用所述细胞分析装置进行细胞分析的方法，包括以下步骤：
S1：在微流控芯片中细胞培养通道中培养待分析细胞，在侧压通道加载缓冲液，寻址通道加载示踪液，刺激通道加载刺激液；
S2：细胞分析装置处于寻址状态，开始时一对侧压通道的电气比例转换阀提供相同的压力，使得示踪通道内的示踪液形成细流进入细胞培养通道，示踪通道的电气比例转换阀提供压力大于刺激通道的电气比例转换阀，使得刺激通道内刺激液全部进入废液通道；调节侧压通道的电气比例转换阀，使得示踪通道内的示踪液指示目标细胞；
S3：细胞分析装置切换到刺激状态，维持侧压通道压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道和刺激通道的压力，使得刺激液刺激目标细胞；
S4：按照预定的刺激时间结束刺激，通过电气比例转换阀，再次交换寻址通道和刺激通道的压力，使得示踪液指示目标细胞；
S5：信号采集装置对细胞培养通道内目标细胞进行信号采集或成像，用于细胞分析。
优选地，所述细胞分析方法，还包括以下步骤：
S6：重复步骤S2至步骤S5，对各目标细胞进行相应刺激，并进行细胞采集或成像用于细胞分析。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的微流控芯片，可对细胞进行精确寻址，确定目标细胞并进行刺激。
(2)本发明提供的细胞分析装置，集微流控芯片单元，压力输出单元，信号采集或成像单元，控制单元为一体的多模式多药物高通量高时空分辨的细胞分析装置，并可通过更换芯片，实现其他刺激方式。
(3)本发明提供的细胞分析方法，寻址刺激，实现了对处于相同生长环境的细胞进行精确刺激。
附图说明
图1是本发明专利的装置结构图；
图2是实施例1提供的微流控芯片结构示意图；
图3是实施例2提供的微流控芯片结构示意图；
图4是实施例3提供的微流控芯片结构示意图；
图5是实施例4提供的细胞分析方法流程示意图，其中图5(a)、图5(c)、和图5(e)为实时寻址状态，图5(b)、图5(d)、图5(f)为对应的实时刺激状态；
图6为细胞刺激响应结果，其中图6(a)、图6(b)和图6(c)分别为目标细胞a、目标细胞b和目标细胞c相应结果。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为细胞培养通道，2为侧压通道，3为寻址通道，4为刺激通道，5为废液通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的微流控芯片，包括细胞培养通道1、一对侧压通道2、寻址通道3、刺激通道4和废液通道5。
所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4；所述侧压通道2，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道3和刺激通道4对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道5相连。
所述侧压通道2和细胞培养通道1夹角在15°至75°之间，优选45°。所述废液通道5为Y字型废液通道5，夹角在15°至75°之间，优选40°。所述寻址通道3和刺激通道4与相应废液通道5夹角在15°至75°之间，优选50°。
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道3压力大于刺激通道4；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道4压力大于寻址通道3。
本发明提供的细胞分析装置，如图1所示，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4的入口端分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应压力；所述信号采集装置，设置在细胞培养通道1处，用于采集细胞信号或对细胞进行成像。
本发明提供的细胞分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1在微流控芯片的细胞培养通道1中培养待分析细胞，在侧压通道2加载缓冲液，寻址通道3加载示踪液，刺激通道4加载刺激液；
S2：细胞分析装置处于寻址状态，开始时一对侧压通道2的电气比例转换阀提供相同的压力，使得示踪通道内的示踪液形成细流进入细胞培养通道1，示踪通道的电气比例转换阀提供压力大于刺激通道4的电气比例转换阀，使得刺激通道4内刺激液全部进入废液通道5；调节侧压通道2的电气比例转换阀，使得示踪通道内的示踪液指示目标细胞；
S3：细胞分析装置切换到刺激状态，维持侧压通道2压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得刺激液刺激目标细胞；
S4：按照预定的刺激时间结束刺激，通过电气比例转换阀，再次交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得示踪液指示目标细胞；
S5：信号采集装置对细胞培养通道1内目标细胞进行信号采集或成像，用于细胞分析。
S6：重复步骤S2至步骤S5，对各目标细胞进行相应刺激，并进行细胞采集或成像用于细胞分析。
以下为实施例：
实施例1
一种微流控芯片，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，其由刻有微通道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成，芯片高度为40μm。
所述PDMS薄层表面加工有微通道结构，如图2所示，包括细胞培养通道1、一对侧压通道2、寻址通道3、刺激通道4和废液通道5。
所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4；所述侧压通道2，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道3和刺激通道4对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道5相连。
所述侧压通道2和细胞培养通道1夹角为15°。所述废液通道5为Y字型废液通道5，夹角为15°。所述寻址通道3和刺激通道4与相应废液通道5夹角为15°。
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道3压力大于刺激通道4；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道4压力大于寻址通道3。
本发明提供的细胞分析装置，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4的入口端分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应压力；所述信号采集装置，为CCD相机和光子计数器，设置在细胞培养通道1处，用于对细胞进行成像和探测实时荧光强度。
实施例2
一种微流控芯片，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，其由刻有微通道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成，芯片高度为40μm。
所述PDMS薄层表面加工有微通道结构，如图3所示，包括细胞培养通道1、一对侧压通道2、寻址通道3、刺激通道4和废液通道5。
所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4；所述侧压通道2，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道3和刺激通道4对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道5相连。
所述侧压通道2和细胞培养通道1夹角为45°。所述废液通道5为Y字型废液通道5，夹角为40°。所述寻址通道3和刺激通道4与相应废液通道5夹角均为50°。
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道3压力大于刺激通道4；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道4压力大于寻址通道3。
本发明提供的细胞分析装置，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4的入口端分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应压力；所述信号采集装置，为CCD相机和光子计数器，设置在细胞培养通道1处，用于对细胞进行成像和探测实时荧光强度。
实施例3
一种微流控芯片，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，其由刻有微通道结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成，芯片高度为40μm。
所述PDMS薄层表面加工有微通道结构，如图4所示，包括细胞培养通道1、一对侧压通道2、寻址通道3、刺激通道4和废液通道5。
所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4；所述侧压通道2，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道3和刺激通道4对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道5相连。
所述侧压通道2和细胞培养通道1夹角为75°。所述废液通道5为Y字型废液通道5，夹角为75°。所述寻址通道3和刺激通道4与相应废液通道5夹角均为75°。
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道3压力大于刺激通道4；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道4压力大于寻址通道3。
本发明提供的细胞分析装置，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道2、寻址通道3和刺激通道4的入口端通分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应压力；所述信号采集装置，为CCD相机和光子计数器，设置在细胞培养通道1处，用于对细胞进行成像和探测实时荧光强度。
实施例4
本实施例结合附图，对实施例2提供的细胞分析装置，进行细胞分析的方法做进一步解释说明，包括以下步骤：
如图5(a)所示，在微流控芯片中细胞培养通道1中培养待分析细胞(HeLa细胞)，在侧压通道2端口加载缓冲液(台式缓冲液)，寻址通道3端口加载示踪液(缓冲液配置的荧光素溶液)，刺激通道4端口加载刺激液(腺嘌呤核苷三磷酸ATP)；细胞分析装置处于寻址状态，开始时一对侧压通道2的电气比例转换阀提供相同的压力，使得示踪通道内的示踪液形成细流进入细胞培养通道1，此时示踪通道的电气比例转换阀供压力大于刺激通道4的电气比例转换阀，使得刺激通道4内刺激液全部进入废液通道5；通过调节侧压通道2的电气比例转换阀，使得示踪通道内的示踪液指示目标细胞，如图5(a)中细胞a为待寻址的目标细胞；
如图5(b)所示瞬时切换图细胞分析装置到刺激状态，维持侧压通道2压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得刺激液刺激目标细胞，按照预定的刺激时间结束刺激；本次实验中，待成功寻址到目标细胞后，重复刺激了2次目标细胞，刺激时间为5s,刺激间隔时间为60s,细胞预先加入Fluo-3/AM进行孵育，可以通过荧光强度的变化反应细胞内钙离子浓度的变化，图6(a)为CCD相机采集到此次实验的实时荧光信号，可知，有且只有被寻址的目标细胞a在2次重复的刺激中表现出明显的荧光强度的变化；
通过电气比例转换阀，再次交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得示踪液指示目标细胞；如图5(c)在寻址的模式下，再次调节侧压通道2的压力，寻址下一个目标细胞b；
如图5(d)所示瞬时切换细胞分析装置到刺激状态，维持侧压通道2压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得刺激液刺激目标细胞，按照预定的刺激时间结束刺激；本次实验中，待成功寻址到目标细胞后，重复刺激了2次目标细胞，刺激时间为5s,刺激间隔时间为60s,图6(b)为CCD相机采集到此次实验的实时荧光信号，可知，有且只有被寻址的目标细胞b在2次重复的刺激中表现出明显的荧光强度的变化；
通过电气比例转换阀，再次交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得示踪液指示目标细胞；如图5(e)在寻址的模式下，再次调节侧压通道2的压力，寻址下一个目标细胞c；
如图5(f)所示瞬时切换细胞分析装置到刺激状态，维持侧压通道2压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道3和刺激通道4的压力，使得刺激液刺激目标细胞，按照预定的刺激时间结束刺激，本次实验中，待成功寻址到目标细胞后，重复刺激了2次目标细胞，刺激时间为5s,刺激间隔时间为60s,图6(c)为CCD相机采集到此次实验的实时荧光信号，可知，有且只有被寻址的目标细胞c在2次重复的刺激中表现出明显的荧光强度的变化；
同时，本实施例可以将刺激通道4扩展成多个，寻址通道3依然保持为一个，这样就可以实现寻址后多样品的靶向刺激,同时通过程控各端口的压力输出可以实现对细胞进行不同药物的先后刺激，丰富刺激模式，进一步，通过程控各端口的压力也可以实现多个样品的同时刺激，这种刺激模式可以实时研究细胞对不同样品刺激的反应。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括细胞培养通道(1)、一对侧压通道(2)、寻址通道(3)、刺激通道(4)和废液通道(5)；所述培养通道用于培养贴壁细胞并观察细胞状态，其入口端连接侧压通道(2)、寻址通道(3)和刺激通道(4)；所述侧压通道(2)，对称设置于培养通道两侧，其出口端与培养通道入口端外侧相连；所述寻址通道(3)和刺激通道(4)对称设置，其出口端与培养通道入口端内侧相连并与废液通道(5)相连；
工作时，所述微流控芯片处于寻址状态，则寻址通道(3)压力大于刺激通道(4)；所述微流控芯片处于刺激状态，则刺激通道(4)压力大于寻址通道(3)。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述侧压通道(2)和细胞培养通道(1)夹角在15°至75°之间，优选45°。
3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述废液通道(5)为Y字型废液通道(5)，夹角在15°至75°之间，优选40°。
4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述寻址通道(3)和刺激通道(4)与相应废液通道(5)夹角在15°至75°之间，优选50°。
5.应用如权利要求1至4任意一项所述的微流控芯片的细胞分析装置，其特征在于，包括所述微流控芯片、信号采集装置和电气比例转换阀，所述微流控芯片侧压通道(2)、寻址通道(3)和刺激通道(4)的入口端分别与独立的电气比例转换阀相连，每个电气比例转换阀根据不同电信号，输出相应液压；所述信号采集装置，设置在细胞培养通道(1)处，用于采集细胞信号或对细胞进行成像。
6.应用如权利要求5所述细胞分析装置进行细胞分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在微流控芯片中细胞培养通道(1)中培养待分析细胞，在侧压通道(2)加载缓冲液，寻址通道(3)加载示踪液，刺激通道(4)加载刺激液；
S2：细胞分析装置处于寻址状态，一对侧压通道(2)的电气比例转换阀提供相同的压力，使得示踪通道内的示踪液形成细流进入细胞培养通道(1)，示踪通道的电气比例转换阀提供压力大于刺激通道(4)的电气比例转换阀，使得刺激通道(4)内刺激液全部进入废液通道(5)；调节侧压通道(2)的电气比例转换阀，使得示踪通道内的示踪液指示目标细胞；
S3：细胞分析装置切换到刺激状态，维持侧压通道(2)压力不变，通过调整电气比例转换阀，交换寻址通道(3)和刺激通道(4)的压力，使得刺激液刺激目标细胞；
S4：按照预定的刺激时间结束刺激，通过电气比例转换阀，再次交换寻址通道(3)和刺激通道(4)的压力，使得示踪液指示目标细胞；
S5：信号采集装置对细胞培养通道(1)内目标细胞进行信号采集或成像，用于细胞分析。
7.如权利要求6所述的细胞分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S6：重复步骤S2至步骤S5，对各目标细胞进行相应刺激，并进行细胞采集或成像用于细胞分析。
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