CN107338183A - 细胞捕获装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种细胞捕获装置。该细胞捕获装置包括过滤层，过滤层包括捕获通孔，捕获通孔具有相互连通的进口和出口，捕获通孔的进口的横截面积大于出口的横截面积，且每个捕获通孔内只容纳一个细胞。通过将捕获通孔设计为通孔结构，使得携带细胞的细胞悬浮液进入捕获通孔后液体部分能够从出口流出，而将进口的横截面积设计为大于出口的横截面积，使细胞能够被截留在捕获通孔内而不随细胞悬浮液流出。根据目标细胞的大小而合理确定捕获通孔的高度，从而使得每个捕获通孔仅能容纳一个细胞。与现有技术中的单细胞的捕获装置相比，本申请的捕获装置为通孔结构，便于液体流出，在不借助外力的情况下，自身即可实现对细胞的捕获。
Description
技术领域
本发明涉及单细胞分析设备领域，具体而言，涉及一种细胞捕获装置。
背景技术
单细胞分析方法是一种将单个细胞从细胞群体(如多细胞组织等)分离并进行研究的方法。目前大家熟知的是，在同一细胞群体中的细胞个体间可能有很大的差异。这些差异会对整个细胞群体的健康和功能产生重大影响，而仅在群体水平进行检测的实验表征方法势必会忽略这些关键性的不同。而单细胞分析方法可以帮助人们理解同一细胞群体中细胞个体间的异质性。
单细胞分析方法有助于系统性地描绘细胞状态、定义细胞与细胞间的正常差异、测定环境扰动对细胞的影响，以及理解细胞在更大尺度上对组织和网络的响应具有不可替代的作用。比如，我们可以研究监测单个细胞的迁移和分裂(如在特定细胞群体里细胞分裂的频率)，以此研究癌细胞相对正常细胞而言不可控的增殖。
现存的技术中，已经有数种可以做到高效、高通量地进行单细胞分析，如(一)流式细胞仪(cytometry)，(二)基于软刻蚀技术的微坑(Rettig,Jacqueline R.,and AlbertFolch."Large-scale single-cell trapping and imaging using microwell arrays."Analytical chemistry 77.17(2005):5628-5634.)或其它微结构细胞捕获法，以及(三)与微电极结合的微结构细胞捕获法(Kim,Soo Hyeon,and Teruo Fujii."Efficientanalysis of a small number of cancer cells at the single-cell level using anelectroactive double-well array."Lab on a Chip(2016).)。
以上方法虽然实现了单细胞的分离与分析，但是装置结构复杂，提高了分析的成本并限制了对细胞图像信息的获取(如第一、三种)；或对细胞样本造成极大的浪费(如第一、二种)，这对于珍贵且稀少的单细胞样本(<100个)而言是难以接受的。
因此，目前急需提供一种高效、准确、廉价的单细胞分析方法，以促进细胞生物学的研究以及细胞体外模型的构建。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种细胞捕获装置，以解决现有技术中的单细胞分析方法存在单细胞捕获效率低的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种细胞捕获装置，该细胞捕获装置包括过滤层，过滤层包括捕获通孔，捕获通孔具有相互连通的进口和出口，捕获通孔的进口的横截面积大于出口的横截面积，且每个捕获通孔内只容纳一个细胞。
进一步地，捕获通孔为多个，优选多个捕获通孔阵列设置；更优选相邻两个捕获通孔之间的间距为25～150μm。
进一步地，捕获通孔具有第一孔段和第二孔段，第一孔段和第二孔段之间具有台阶面，第一孔段的远离第二孔段的一端形成进口，第二孔段的远离第一孔段的一端形成出口；优选地，捕获通孔的高度为H1，第二孔段的高度为H2，其中，1/15≤H2/H1≤1/2。
进一步地，进口的形状为圆形、椭圆形、矩形或菱形。
进一步地，进口的尺寸为D2，出口的尺寸为D1，其中，10μm≤D2≤30μm，2μm≤D1＜10μm。
进一步地，细胞捕获装置还包括导流层，导流层可分离地设置在过滤层的下端，导流层具有导流通道，导流通道与过滤层的出口相连通。
进一步地，细胞捕获装置还包括进样层，进样层可分离地设置在过滤层的上端，进样层具有进样通道，进样通道与过滤层的进口相连通。
进一步地，细胞捕获装置还包括加压元件，加压元件用于向捕获通孔的进口一侧施加正向气压或液压。
进一步地，细胞捕获装置还包括减压元件，减压元件用于向捕获通孔的出口一侧施加负向气压或液压。
进一步地，过滤层的材质为聚二甲基硅氧烷。
进一步地，导流层的材质选自无机玻璃、硅片、金属或聚二甲基硅氧烷高分子材料。
进一步地，进样层的材质选自无机玻璃、硅片、金属或聚二甲基硅氧烷高分子材料。
应用本发明的技术方案，通过将捕获通孔设计为通孔结构，使得携带细胞的细胞悬浮液进入捕获通孔后液体部分能够从出口流出，而将进口的横截面积设计为大于出口的横截面积，使细胞能够被截留在捕获通孔内而不随细胞悬浮液流出。根据目标细胞的大小而合理确定捕获通孔的高度，从而使得每个捕获通孔仅能容纳一个细胞。与现有技术中的单细胞的捕获装置相比，本申请的捕获装置为通孔结构，便于液体流出，在不借助外力的情况下，自身即可实现对细胞的捕获。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的一种优选的实施例中的细胞捕获装置的主视图；以及
图2示出了图1所示的细胞捕获装置的俯视图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、过滤层；11、捕获通孔；111、进口；112、出口；
20、导流层；21、导流通道；
30、进样层；31、进样通道。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
如背景技术所提到的，现有技术中的单细胞捕获方法中，存在捕获装置复杂、捕获条件苛刻而影响捕获效率的问题。为改善这一现状，在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种细胞捕获装置，该细胞捕获装置包括过滤层10，过滤层10包括捕获通孔11，捕获通孔11的进口111的横截面积大于捕获通孔11的出口112的横截面积，且每个捕获通孔11只容纳一个细胞。
本申请的细胞捕获装置，通过将捕获通孔11设计为通孔结构，使得携带细胞的细胞悬浮液进入捕获通孔11后液体部分能够从出口112流出，而将进口111的横截面积设计为大于出口112的横截面积，使细胞能够被截留在捕获通孔11内而不随细胞悬浮液流出。根据目标细胞的大小而合理确定捕获通孔11的高度(见图1所示H1)，从而使得每个捕获通孔11仅能容纳一个细胞。与现有技术中的单细胞的捕获装置相比，本申请的捕获装置为通孔结构，便于液体流出，该细胞捕获装置自身即可实现对细胞的捕获，而无需依靠外力(比如现有技术中在捕获通孔11底部设置电极等)将细胞吸入微孔中。
上述细胞捕获装置中，对捕获通孔11的数目并无特殊限定。根据研究目的的不同，捕获通孔11的数量可以根据需要进行合理设置。优选地，通常进行大规模单细胞实验可以制作10,000至1,000,000个。优选捕获通孔11为多个，优选多个捕获通孔11阵列设置。如图2所示，相邻两个捕获通孔11之间的间距D3可以根据实际需要进行合理控制，本申请中优选为25～150μm。将相邻两个捕获通孔11之间的间距D3控制在该范围内具有捕获单细胞效率较高、不易残留细胞在芯片管道中的效果。捕获通孔阵列设置的规模和排布方式均不限。比如，可以设置成96孔板的形式或者6孔板形式，也可以设置成单个35mm培养皿或者60mm培养皿。
在一种优选的实施例中，如图1和图2所示，捕获通孔11具有第一孔段和第二孔段，第一孔段和第二孔段之间具有台阶面，第一孔段的远离第二孔段的一端形成进口111，第二孔段的远离第一孔段的一端形成出口112。对于第一孔段和第二孔段的高度的控制可以根据细胞的厚度以及捕获吸力的大小进行合理设计(如图1所示，整个捕获通孔的高度为H1，第二孔段的高度为H2，H2与H1的高度之比可以根据实际需要进行合理调整，本申请出于使捕获通孔对细胞的吸力较大考虑，优选将H2/H1的比值控制在1/15～1/2范围内)，这种结构能够使细胞被“吸引”进入捕获结构，从而有效地捕获单个细胞。
另一种实施例中，捕获通孔11为锥台形，进口111的直径大于出口112的直径，捕获通孔11由进口111向出口112逐渐缩小地延伸，捕获通孔11的孔壁与水平面的夹角在80度至85度之间。这种结构的捕获通孔11能够有效地将单细胞捕获在捕获单元当中，并且由于出口尺寸相对较大，“吸引”细胞进入的效果会更加明显。
上述细胞捕获装置中，捕获通孔11的结构不限于上述情况，只要能够捕获单个细胞即可。相应地，捕获通孔11的进口111的形状也无特别限定，包括但不仅限于圆形、椭圆形、矩形或菱形等规则的形状，也可以是不规则形状。
从捕获效率高的角度考虑，进口111的尺寸要允许单个细胞进入，因此其尺寸与单个细胞的尺寸相对应。此处“尺寸”的涵义与生物学领域对细胞大小进行限定的涵义相同。比如，当细胞呈圆形时，尺寸指细胞的直径。根据所欲捕获的目标细胞的不同，进口111和出口112的尺寸也相应不同。
在一种优选的实施例中，如图1和图2所示，捕获通孔11的进口111的尺寸为D2，出口112的尺寸为D1，其中，10≤D2≤30μm，2μm≤D1＜10μm。进口111的尺寸在10～30μm范围内，使不同类型、尺寸大小在该范围内的细胞都能够进入捕获通孔11，而将出口112的尺寸控制在2～10μm范围内能阻止尺寸大小在上述范围的细胞从出口112流出。而对于
上述细胞捕获装置，根据使用场合和目的的不同，可以将细胞悬浮液流过上述过滤层10即可实现对悬浮液中细胞的捕获。为了方便、灵活地使细胞悬浮液流过过滤层10，在本申请一种优选的实施例中，细胞捕获装置还包括进样层30，进样层30可分离地设置在过滤层10的上端，进样层30包括进样通道31，进样通道31与过滤层10的进口111相连通。在细胞被捕获之后，可以通过有效的轻柔冲洗从而去除多余的可能层叠在过滤层10上的其他冗余细胞。
将进样层30与过滤层10可分离地设置，便于捕获操作完成后，直接利用过滤层10对细胞进行各种操作和观察，比如染色和显微观察。
在上述装置的基础上，为了使细胞悬浮液在流过所述过滤层10时更容易地流出其中的液体，在本申请一种优选的实施例中，细胞捕获装置还包括导流层20，导流层20可分离地设置在过滤层10的下端，导流层20包括导流通道21，导流通道21与过滤层10的出口112相连通。导流层20的设置能够及时将从捕获通孔11的出口112流出的液体排走，从而保持从进口111至出口112方向上的正向压力，进而提高细胞捕获速度。
将导流层20与过滤层10可分离地设置，便于捕获操作完成后，直接利用过滤层10对细胞进行各种操作和观察，比如染色和显微观察。
上述优选实施例中，进样层30和导流层20的具体结构可以是管道或者围堰等，管道或围堰上可以根据需要设置控制细胞悬浮液流动速度和流量的元件。如能够精确控制流速的注射泵，蠕动泵，精确定量的滴加装置等。
为了更高效、快速地进行细胞捕获，上述装置中还可以包括控制流入过滤层10的细胞悬浮液的流量和速度的元件。在一种优选的实施例中，上述细胞捕获装置还包括加压元件，用于对捕获通孔11的开口施加正向压力，该正向压力为气压或液压。对进口111施加正向压力有助于促进细胞流入捕获通孔11以及加快细胞悬浮液流出，进而提高细胞捕获速度和效率。
在另一种优选的实施例中，上述细胞捕获装置还包括减压元件，用于对捕获通孔11的出口112施加负向压力，该负向压力为气压或液压。对出口112施加负向压力有助于加快悬浮液流出，实现快速捕获细胞。
本申请的上述细胞捕获装置中过滤层10的具体材质并无特殊限定，只要对细胞无毒害作用即可。从便于制作和观察的角度，优选过滤层10的材质为聚二甲基硅氧烷，不仅容易利用软刻蚀方法制备捕获通孔11，而且透明度高，便于操作者实时观察或在显微镜下直接进行拍摄成像。
对上述进样层30和/或导流层20的材质也无特殊限定，包括但不仅限于无机玻璃、硅片、金属或高分子材料，只要能够起到输送或导走细胞悬浮液的作用即可。优选，进样层30和/或导流层20的材质为高分子材料中的聚二甲基硅氧烷，一方面透明易于观察，另一方面与过滤层10采用相同的材质，便于一体制作。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过将捕获通孔设计为通孔结构，使得携带细胞的细胞悬浮液进入捕获通孔后液体部分能够从出口流出，而将进口的横截面积设计为大于出口的横截面积，使细胞能够被截留在捕获通孔内而不随细胞悬浮液流出。根据目标细胞的大小而合理确定捕获通孔的高度，从而使得每个捕获通孔仅能容纳一个细胞。与现有技术中的单细胞的捕获装置相比，本申请的捕获装置为通孔结构，便于液体流出，在不借助外力的情况下，自身即可实现对细胞的捕获。
本申请的装置具有如下优点：
(1)用一种简单、廉价、易制备的装置实现了单细胞的快速、高质、高效分离和捕获，为单细胞的后续分析提供了便利条件。
(2)本申请的装置减少了对细胞的浪费，对珍贵细胞样本的理论收集率达到了100％。
(3)可提供被捕获细胞的高质量、准确的图像信息。并且每个单个细胞均是可以寻址地进行后续的观测和回收。一旦被鉴定为稀有的有生物学或临床意义的细胞就可以根据其所在捕获孔道进行后续回收和生物学分析等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种细胞捕获装置，其特征在于，所述细胞捕获装置包括：
过滤层(10)，所述过滤层(10)包括捕获通孔(11)，所述捕获通孔(11)具有相互连通的进口(111)和出口(112)，所述捕获通孔(11)的进口(111)的横截面积大于所述出口(112)的横截面积，且每个所述捕获通孔(11)内只容纳一个细胞。
2.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述捕获通孔(11)为多个，优选多个所述捕获通孔(11)阵列设置；更优选相邻两个所述捕获通孔(11)之间的间距为25～150μm。
3.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述捕获通孔(11)具有第一孔段和第二孔段，所述第一孔段和所述第二孔段之间具有台阶面，所述第一孔段的远离所述第二孔段的一端形成所述进口(111)，所述第二孔段的远离所述第一孔段的一端形成所述出口(112)；优选地，所述捕获通孔(11)的高度为H1，所述第二孔段的高度为H2，其中，1/15≤H2/H1≤1/2。
4.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述进口(111)的形状为圆形、椭圆形、矩形或菱形。
5.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述进口(111)的尺寸为D2，所述出口(112)的尺寸为D1，其中，10μm≤D2≤30μm，2μm≤D1＜10μm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述细胞捕获装置还包括：
导流层(20)，所述导流层(20)可分离地设置在所述过滤层(10)的下端，所述导流层(20)具有导流通道(21)，所述导流通道(21)与所述过滤层(10)的出口(112)相连通。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述细胞捕获装置还包括：
进样层(30)，所述进样层(30)可分离地设置在所述过滤层(10)的上端，所述进样层(30)具有进样通道(31)，所述进样通道(31)与所述过滤层(10)的进口(111)相连通。
8.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述细胞捕获装置还包括：
加压元件，所述加压元件用于向所述捕获通孔(11)的进口(111)一侧施加正向气压或液压。
9.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述细胞捕获装置还包括：
减压元件，所述减压元件用于向所述捕获通孔(11)的出口(112)一侧施加负向气压或液压。
10.根据权利要求1所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述过滤层(10)的材质为聚二甲基硅氧烷。
11.根据权利要求6所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述导流层(20)的材质选自无机玻璃、硅片、金属或聚二甲基硅氧烷高分子材料。
12.根据权利要求7所述的细胞捕获装置，其特征在于，所述进样层(30)的材质选自无机玻璃、硅片、金属或聚二甲基硅氧烷高分子材料。
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