RU2756306C1 - System and method for phenotype analysis and polynucleotide sequencing of biological particles using deterministic barcoding - Google Patents

System and method for phenotype analysis and polynucleotide sequencing of biological particles using deterministic barcoding Download PDF

Info

Publication number
RU2756306C1
RU2756306C1 RU2020111673A RU2020111673A RU2756306C1 RU 2756306 C1 RU2756306 C1 RU 2756306C1 RU 2020111673 A RU2020111673 A RU 2020111673A RU 2020111673 A RU2020111673 A RU 2020111673A RU 2756306 C1 RU2756306 C1 RU 2756306C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biological particle
phenotype
specified
carrier
coding
Prior art date
Application number
RU2020111673A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Станиславович Андреев
Борис Леонидович Зыбайлов
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2756306C1 publication Critical patent/RU2756306C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6869Methods for sequencing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6806Preparing nucleic acids for analysis, e.g. for polymerase chain reaction [PCR] assay
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6816Hybridisation assays characterised by the detection means

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: system and a method for analyzing a phenotype and a sequence of polynucleotides of a biological particle are proposed. The system contains an analyzer of a phenotype of a biological particle, a generator of an identifiable oligonucleotide coding carrier, a microreactor, a sequencer of a pre-determined sequence of an encoding oligonucleotide and a sequence of polynucleotides of a biological particle. The method includes optical analysis of a biological particle to determine the phenotype, recording the phenotype, generating a carrier of coding oligonucleotides, placing a biological particle and the carrier in the microreactor, lysis of a biological particle, ligation of coding oligonucleotides with polynucleotides of a biological particle, sequencing to determine the sequence of polynucleotides of a biological particle and comparing the phenotype of a biological particle with the sequence of polynucleotides of a biological particle.
EFFECT: inventions provide an accurate determination of genome/transcriptome and phenotype for each biological particle.
15 cl, 24 dwg

Description

Область техники.The field of technology.

Настоящее изобретение относится к системе и способу интеграции секвенирования полинуклеотидов и анализа фенотипов биологических частиц посредством детерминированного штрихкодирования. В высокопроизводительном анализе система и способ сохраняют связи между фенотипом биологической частицы, оцениваемым неразрушающими методами (например, оптически), и данными секвенирования полинуклеотидов, содержащихся в биологической частице.The present invention relates to a system and method for integrating polynucleotide sequencing and analyzing the phenotypes of biological particles by deterministic barcoding. In a high-throughput assay, the system and method maintain links between the phenotype of a biological particle, assessed by non-destructive methods (eg, optically), and the sequencing data of the polynucleotides contained in the biological particle.

Настоящая заявка на патент закрепляет приоритет по предварительной патентной заявке США № 62/562, 115, озаглавленной «Поточный анализ с детерминированным штрихкодированием», поданной 22 сентября 2017 г., и по предварительной заявки США № 62 / 577,905, озаглавленной «Объединение высокопроизводительного секвенирования отдельных частиц с другими методами анализа отдельных частиц посредством детерминированного штрихкодирования», поданной 27 октября 2017 года. Полное описание указанных предварительных заявок доступно по ссылкам, приведенным в данной заявке.This patent application grants priority to US Provisional Patent Application No. 62/562, 115, entitled "Inline Analysis with Deterministic Barcoding," filed September 22, 2017, and to US Provisional Application No. 62 / 577,905, entitled "Combining High Throughput Sequencing of Individual Particle Analysis with Other Methods for Analyzing Individual Particles by Deterministic Barcoding ”, filed October 27, 2017. A full description of these preliminary applications is available at the links provided in this application.

Определение терминов.Definition of terms.

BP – биологическая частица, содержащая генетический материал (например, клетка или органелла, такая как митохондрия).BP is a biological particle that contains genetic material (for example, a cell or organelle such as mitochondria).

Фенотип – совокупность информации, касающейся функциональных свойств, молекулярного состава, структуры и морфологии отдельной BP. Например, фенотип может быть изучен с помощью оптического анализа в потоке или анализа изображения.Phenotype is the collection of information regarding the functional properties, molecular composition, structure, and morphology of an individual BP. For example, the phenotype can be studied using optical flow analysis or image analysis.

FC – проточная цитометрия.FC - flow cytometry.

FACS – Сортировка клеток с флуоресцентной активацией или, в широком смысле, любая сортировка BP на основе FC. Геном/транскриптом – все полинуклеотидные (ДНК/РНК) последовательности в данной BP.FACS - Fluorescently activated cell sorting, or broadly any FC based BP sorting. Genome / Transcript - All polynucleotide (DNA / RNA) sequences in a given BP.

mSCS – массовое (или высокопроизводительное) секвенирование BP, индивидуальных клеток или иных BP, не только клеток. mSCS определят геном/транскриптом каждой BP в больших совокупностях, чаще всего посредством штрихкодирования полинуклеотидного содержимого каждой BP с последующим секвенированием совокупного кодированного генетического материала множества BP. Штрихкодирование полинуклеотидных молекул из каждой BP осуществляется с использованием олигонуклеотидных меток с уникальными последовательностями. Чаще всего в системах штрихкодирования используется поток микрочастиц с прикрепленными кодирующими метками (олигонуклеотидами) в чипе, и каждая микрочастица несёт случайную, но уникальную последовательность для штрихкодирования. Каждая анализируемая BP совмещается с одной микрочастицей в микрокапле, где выполняется штрихкодирование. Затем микрокапли объединяются и секвенируются совместно. После секвенирования совмещенных полинуклеотидов из множества BP, кодирующие последовательности позволяют идентифицировать исходные полинуклеотидные последовательности, происходящие из одной и той же микрочастицы.mSCS - mass (or high-throughput) sequencing of BP, individual cells or other BPs, not just cells. The mSCS is determined by the genome / transcript of each BP in large populations, most often by barcoding the polynucleotide content of each BP, followed by sequencing the cumulative encoded genetic material of the plurality of BPs. Barcoding of polynucleotide molecules from each BP is performed using oligonucleotide tags with unique sequences. Most often, barcoding systems use a stream of microparticles with attached coding tags (oligonucleotides) in a chip, and each microparticle carries a random but unique sequence for barcoding. Each analyzed BP is combined with one microparticle in a microdroplet, where barcoding is performed. The microdroplets are then combined and sequenced together. After sequencing the aligned polynucleotides from multiple BPs, the coding sequences allow identification of the original polynucleotide sequences derived from the same microparticle.

IDBC - Идентифицируемый детерминировано кодирующий носитель (кодирующих олигонуклеотидов) для детерминированного штрихкодирования, который состоит из идентифицируемого ядра и олигонуклеотидов заранее определенной последовательности, прикрепленных к данному ядру. «Идентифицируемый» указывает на способность каждого конкретного носителя быть идентифицированным (ID), например, с помощью уникальной комбинации флуорофоров, или с помощью RFID, или по его положению на чипе или по месту в последовательности потока.IDBC - An identifiable deterministically coding medium (coding oligonucleotides) for deterministic barcoding, which consists of an identifiable nucleus and oligonucleotides of a predetermined sequence attached to a given nucleus. "Identifiable" refers to the ability of each particular carrier to be identified (ID), for example, by a unique combination of fluorophores, or by RFID, or by its position on a chip or location in a stream sequence.

GIDBC - генератор идентифицируемых детерминировано кодирующих носителей (кодирующих олигонуклеотидов) для детерминированного штрихкодирования.GIDBC is a generator of identifiable coding media (coding oligonucleotides) for deterministic barcoding.

LIF/LS - лазерно-индуцированная флуоресценция / светорассеивание для проточного анализа.LIF / LS - laser-induced fluorescence / light scattering for flow analysis.

FISH - флуоресцентная цитологическая гибридизация in situ.FISH - fluorescent cytological in situ hybridization.

Предшествующий уровень техники.Prior art.

Влияние технологии на развитие биомедицинских исследований. С быстрым развитием методов биоанализа и обработки данных изучение усреднённых по совокупности свойств клеток и органелл все более устаревает, и его заменяет высокопроизводительный анализ отдельных BP. Такой широкомасштабный сдвиг в биомедицинских исследованиях обусловлен увеличением объема биологических данных, подчеркивающих значимость гетерогенности частиц BP (например, гетерогенности клеток в данной популяции). В настоящее время mSCS обеспечивает беспрецедентное понимание клеточной гетерогенности в экспрессии генов, манифестации генотипа в фенотипе, степени повреждения ДНК, регуляторных мутаций и т. д. Эта генетическая гетерогенность включает как клетки в целом так и их органеллы, например, митохондрии. В ответ на экологические, биологические и клеточные факторы генетическая гетерогенность BP трансформируется в фенотипическую гетерогенность. Параметры фенотипа клеток можно измерять несколькими способами, но FC является одним из самых высокопроизводительных методов оценки параметров клеточных фенотипов (например, функциональных свойств и морфологии). Возможность одновременно определять фенотип и геном/транскриптом каждой BP в большой популяции могла бы кардинально изменить парадигму биомедицинских исследований.Influence of technology on the development of biomedical research. With the rapid development of bioanalysis and data processing methods, the study of aggregate-averaged properties of cells and organelles is becoming increasingly obsolete and replaced by high-throughput analysis of individual BPs. This large-scale shift in biomedical research is driven by an increase in biological data highlighting the importance of BP particle heterogeneity (eg, cell heterogeneity in a given population). Currently, mSCS provides an unprecedented understanding of cellular heterogeneity in gene expression, manifestation of genotype in phenotype, degree of DNA damage, regulatory mutations, etc. This genetic heterogeneity includes both cells as a whole and their organelles, for example, mitochondria. In response to environmental, biological, and cellular factors, the genetic heterogeneity of BP is transformed into phenotypic heterogeneity. Cell phenotype parameters can be measured in several ways, but FC is one of the most high-throughput methods for assessing parameters of cell phenotypes (eg, functional properties and morphology). The ability to simultaneously determine the phenotype and genome / transcript of each BP in a large population could radically change the paradigm of biomedical research.

Настоящее изобретение полезно для анализа BP, включая, но не ограничиваясь такими BP как: соматические клетки хоста, трансформированные клетки хоста, патогенная биота, симбиотическая биота, митохондрии (особенно в ооцитах), сперматозоиды, тромбоциты (в анализе содержания митохондрий), ядра, ядрышки, рибосомы, вирусы и экзосомы.The present invention is useful for BP analysis, including but not limited to BPs such as: somatic host cells, transformed host cells, pathogenic biota, symbiotic biota, mitochondria (especially in oocytes), spermatozoa, platelets (in mitochondrial content analysis), nuclei, nucleoli , ribosomes, viruses and exosomes.

В биомедицинских исследованиях отсутствует и срочно требуется инструмент или высокопроизводительная технологическая платформа, которая может однозначно сопоставить информацию mSCS для конкретной клетки с параметрами фенотипа той же самой клетки. Случайность последовательностей кодирующих олигонуклеотидов в существующих платформах mSCS не обеспечивает идентификации конкретной BP, содержащей полинуклеотиды, она только устанавливает, происходят ли полинуклеотиды из одной и той же BP или нет. Это не позволяет соотнести измеренные FC фенотипические свойства с геномом/транскриптомом отдельных BP. Возможно, самой близкой технологией, которая действительно сопоставляет некоторые фенотипические свойства с транскриптомами отдельных BP, является недавно опубликованный подход, названный CITE-SEQ, где мечение комплексом антитело-олигонуклеотид дает возможность ограниченной идентификации фенотипа с использованием маркеров клеточной поверхности; тем не менее, эта платформа не обеспечивает исчерпывающее высокопроизводительное сопоставление данных анализа генома / транскриптома и фенотипа индивидуальных клеток. Настоящее изобретение преодолевает эти ограничения существующих методологий mSCS, доступных биомедицинскому исследовательскому сообществу.In biomedical research, there is no and an urgent need for a tool or high-performance technological platform that can unambiguously correlate mSCS information for a specific cell with the phenotype parameters of the same cell. The randomness of the sequences of coding oligonucleotides in existing mSCS platforms does not provide identification of a particular BP containing polynucleotides, it only establishes whether the polynucleotides originate from the same BP or not. This does not allow correlating the measured FC phenotypic properties with the genome / transcriptome of individual BPs. Perhaps the closest technology that does map some phenotypic properties to individual BP transcriptomes is a recently published approach called CITE-SEQ, where tagging with an antibody-oligonucleotide complex allows limited phenotype identification using cell surface markers; however, this platform does not provide a comprehensive, high-throughput comparison of genome / transcriptome analysis and phenotype data of individual cells. The present invention overcomes these limitations of existing mSCS methodologies available to the biomedical research community.

Новые возможности и применимость. Точное определение генома/ транскриптома и соответствующего фенотипа для каждой BP в гетерогенной популяции необходимо для более глубокого понимания многих биомедицинских проблем. Примеры возможностей, которые предоставит данное изобретение, включают: анализ развития рака, в частности формирование поликлональности при метастатическом раке, определение взаимосвязей между стволовыми клетками и канцерогенезом, понимание механизмов развития резистентности к терапии и манифестации генотипа в фенотипе, исследования взаимодействий отдельных вирусов/бактерий/патогенов с отдельными клетками, исследования сложных микробных сообществ и их взаимодействий с хостом, определение роли митохондриальной гетероплазмидности в компрометации апоптотической антипролиферации и т. д. В следующих параграфах мы кратко остановимся на некоторых из этих биомедицинских применений, чтобы предоставить выборку из широких возможностей этой технологии:New features and applicability. A precise definition of the genome / transcriptome and the corresponding phenotype for each BP in a heterogeneous population is necessary for a deeper understanding of many biomedical problems. Examples of opportunities that this invention will provide include: analysis of cancer development, in particular the formation of polyclonality in metastatic cancer, determination of the relationship between stem cells and carcinogenesis, understanding the mechanisms of development of resistance to therapy and manifestation of genotype in phenotype, studies of interactions of individual viruses / bacteria / pathogens with individual cells, investigating complex microbial communities and their interactions with the host, defining the role of mitochondrial heteroplasmidity in compromising apoptotic antiproliferation, etc. In the following paragraphs, we briefly highlight some of these biomedical applications to provide a sampling of the broad possibilities of this technology:

Определение взаимосвязей между стволовыми клетками и канцерогенезом. Терапия стволовыми клетками эффективна для лечения определенных патологий, но частично ограничена потенциальной канцерогенностью. Популяция стволовых клеток всегда является гетерогенной из-за повреждений ДНК, мутационной нагрузки и изменчивости транскриптома, вызванной окружающей средой. Эта неоднородность проявляется в фенотипических вариациях, иногда канцерогенных. Следовательно, необходим глубокий анализ проявлений генома и транскриптома в фенотипе для больших популяций.Determination of the relationship between stem cells and carcinogenesis. Stem cell therapy is effective in treating certain pathologies, but is partially limited by its potential carcinogenicity. The stem cell population is always heterogeneous due to DNA damage, mutational stress, and environmental-induced variability of the transcriptome. This heterogeneity manifests itself in phenotypic variations, sometimes carcinogenic. Consequently, a deep analysis of the manifestations of the genome and transcriptome in the phenotype is required for large populations.

Исследования канцерогенеза. Канцерогенез, как правило, является стохастическим процессом, когда комбинация генетических изменений (часто опосредованных ретровирусами, транспозонами, плазмидами, вирусными факторами) и регуляторного влияния (изменение транскриптома) приводит к злокачественному фенотипу. Очень важно выявить связи генотип-транскриптом-фенотип на уровне индивидуальных клеток в больших клеточных сообществах.Carcinogenesis studies. Carcinogenesis, as a rule, is a stochastic process, when a combination of genetic changes (often mediated by retroviruses, transposons, plasmids, viral factors) and regulatory influence (transcriptome change) leads to a malignant phenotype. It is very important to identify the genotype-transcriptome-phenotype relationships at the level of individual cells in large cell communities.

Исследования поликлонального рака. Раковые клетки часто имеют повышенную частоту мутаций и, как следствие, повышенную приспособляемость. Мутагенная природа большинства методов лечения рака еще больше повышает адаптивность. Раннее обнаружение клонов, устойчивых к лекарствам и иммунотерапии, имеет важное значение, особенно для рассеянных раковых клеток. Обнаружение клеток с необычным метаболизмом, апоптотической сигнатурой или признаками старения в сочетании с непосредственным определением соответствующих мутаций в геноме/транскриптоме изучаемых клеток поможет идентифицировать злокачественные клоны и, следовательно, модифицировать терапию.Research on polyclonal cancer. Cancer cells often have an increased mutation rate and, as a result, increased adaptability. The mutagenic nature of most cancer treatments further enhances adaptability. Early detection of drug and immunotherapy resistant clones is essential, especially for scattered cancer cells. Detection of cells with unusual metabolism, apoptotic signature or signs of aging, combined with direct detection of the corresponding mutations in the genome / transcriptome of the cells under study, will help to identify malignant clones and, therefore, modify therapy.

Исследования клеточно-вирусных взаимодействий. Взаимодействие клеток с вирусными частицами, в частности с онковирусами, представляет собой очень гетерогенный процесс, при котором только небольшая часть клеток может быть восприимчивой к инфекции в зависимости от клеточного статуса и транскриптома. Обнаружение клеточно-вирусных взаимодействий и последующих фенотипических изменений с непосредственным определением соответствующего транскриптома, и судьбы вирусного генетического материала для каждой клетки будет иметь важное значение для исследований вирулентности.Studies of cellular-viral interactions. The interaction of cells with viral particles, in particular with oncoviruses, is a very heterogeneous process, in which only a small part of cells may be susceptible to infection, depending on the cellular status and transcriptome. Detection of cellular-viral interactions and subsequent phenotypic changes with direct determination of the corresponding transcriptome and the fate of the viral genetic material for each cell will be important for virulence studies.

Динамика бактериальных сообществ. Бактериальные сообщества, включая микробиом человека, крайне гетерогенны. Реакция микробиомов на изменяющуюся среду, такую как доступность белков, жиров, устойчивых к пищеварению и усваиваемых углеводов, присутствие токсинов, терапевтических агентов или введение новых, возможно, патогенных видов биоты чрезвычайно сложна. Бактерии могут адаптировать свой фенотип посредством индивидуальной или коллективной реакции, выделяя определенные организмы для самоубийственного высвобождения биоцидов или проявляя регуляторные мутации. В настоящее время нет доступных технологий для глубокого изучения этих сложных и специфичных изменений в индивидуальных клетках без направленного измерения функциональных свойств, морфологии, биомолекулярного содержания, транскиптома и генома каждой бактерии в обширном сообществе.Dynamics of bacterial communities. Bacterial communities, including the human microbiome, are highly heterogeneous. The response of microbiomes to a changing environment, such as the availability of proteins, fats resistant to digestion and assimilable carbohydrates, the presence of toxins, therapeutic agents, or the introduction of new, possibly pathogenic, biota species is extremely complex. Bacteria can adapt their phenotype through individual or collective responses, releasing certain organisms to self-destructively release biocides, or exhibiting regulatory mutations. Currently, there are no available technologies for in-depth study of these complex and specific changes in individual cells without targeted measurement of the functional properties, morphology, biomolecular content, transcyptome, and genome of each bacterium in the vast community.

Изучение роли гетероплазмии митохондрий в нарушении механизмов апоптоза/сенессенции/митогенеза. Исследования гетероплазмии митохондрий могут определить связи между мутациями мтДНК и их повреждением, транскрипцией, функциональностью и содержанием биомолекул в митохондрии. Изучение того, как клетка маркирует отдельные митохондрии для митофагии, репликации или инициации апоптотических процессов, важно для понимания противораковых механизмов и их прогрессирующей деградации в течение жизни, а также для связанных со старением митохондриально-обусловленной нервной и мышечной дегенерации, бесплодия и наследственных патологий.Study of the role of mitochondrial heteroplasmy in the disturbance of the mechanisms of apoptosis / senescence / mitogenesis. Studies of mitochondrial heteroplasmy can determine the links between mtDNA mutations and their damage, transcription, functionality, and biomolecule content in mitochondria. The study of how the cell marks individual mitochondria for mitophagy, replication, or initiation of apoptotic processes is important for understanding the anticancer mechanisms and their progressive degradation during life, as well as for aging-related mitochondria-mediated nervous and muscle degeneration, infertility, and hereditary pathologies.

Таким образом, из уровня техники следует, что требуется система и способ, которые позволят однозначно сопоставить информацию mSCS для конкретной клетки с параметрами фенотипа той же самой клетки, соотнести измеренные FC фенотипические свойства с геномом/транскриптомом отдельных BP, с высокой производительностью.Thus, it follows from the prior art that a system and method is required that will allow unambiguous comparison of the mSCS information for a specific cell with the phenotype parameters of the same cell, correlating the measured FC phenotypic properties with the genome / transcriptome of individual BPs, with high productivity.

Настоящее изобретение относится к системе и способу интеграции секвенирования полинуклеотидов и анализа фенотипов биологических частиц посредством детерминированного штрихкодирования. В высокопроизводительном анализе система и способ сохраняют связи между фенотипом биологической частицы, оцениваемым неразрушающими способами (например, оптически), и данными секвенирования полинуклеотидов, содержащихся в биологической частице. The present invention relates to a system and method for integrating polynucleotide sequencing and analyzing the phenotypes of biological particles by deterministic barcoding. In a high throughput assay, the system and method maintain links between the phenotype of a biological particle, assessed by non-destructive methods (eg, optically), and the sequencing data of the polynucleotides contained in the biological particle.

Технический результат заключается в обеспечении возможности точного определение неразрушающим способом генома/ транскриптома и соответствующего фенотипа для каждой BP в гетерогенной популяции. Система и способ обеспечивают исчерпывающее высокопроизводительное сопоставление данных анализа генома / транскриптома и фенотипа индивидуальных клеток.The technical result consists in providing the possibility of accurate non-destructive determination of the genome / transcriptome and the corresponding phenotype for each BP in a heterogeneous population. The system and method provide a comprehensive, high-throughput comparison of genome / transcriptome analysis and phenotype data of individual cells.

Технический результат достигается тем, что система для анализа фенотипа и последовательности полинуклеотидов биологической частицы, содержит:The technical result is achieved by the fact that the system for analyzing the phenotype and sequence of polynucleotides of a biological particle contains:

- анализатор фенотипа, где указанный анализатор фенотипа предназначен для определения фенотипа указанной биологической частицы;- a phenotype analyzer, where the specified phenotype analyzer is designed to determine the phenotype of the specified biological particle;

- генератор идентифицируемого олигонуклеотидного кодирующего носителя, где кодирующий олигонуклеотид с заранее известной последовательностью, прикреплен к указанному носителю, используется индивидуальный носитель для каждой биологической частицы и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой биологической частицы;- generator of an identifiable oligonucleotide coding carrier, where the coding oligonucleotide with a predetermined sequence is attached to said carrier, an individual carrier is used for each biological particle, and a unique and predetermined barcode is used for each polynucleotide of each biological particle;

- микрореактор, выполненный с возможностью приема указанной биологической частицы из указанного анализатора фенотипа и приема указанного носителя кодирующих олигонуклеотидов из указанного генератора; - a microreactor configured to receive said biological particle from said phenotype analyzer and receive said carrier of coding oligonucleotides from said generator;

- секвенатор указанной предварительно определенной последовательности указанного кодирующего олигонукеголеотида и указанной последовательности полинуклеотидов указанной биологической частицы после того, как указанный кодирующий олигонуклеотид лигируют с указанными полинуклеотидами указанной биологической частицы- sequencer of said predetermined sequence of said coding oligonucleotide and said sequence of polynucleotides of said biological particle after said coding oligonucleotide is ligated with said polynucleotides of said biological particle

В отличие от существующих способов mSCS с частицами, несущими уникальные, но случайные кодирующие олигонуклеотиды, в подходе детерминированного штрихкодирования настоящего изобретения используется IDBC для каждой BP и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой BP. Unlike existing mSCS methods with particles carrying unique but random encoding oligonucleotides, the deterministic barcoding approach of the present invention uses IDBC for each BP and applies a unique and predefined barcode for each polynucleotide of each BP.

Указанная биологическая частица и указанный носитель кодирующих олигонуклеотидов инкапсулированы в капле в указанном микрореакторе.Said biological particle and said carrier of coding oligonucleotides are encapsulated in a drop in said microreactor.

Предусмотрено, что анализатор фенотипа представляет собой проточный цитометр.The phenotype analyzer is contemplated to be a flow cytometer.

Предусмотрено, что анализатор фенотипа представляет собой микроскоп.It is envisaged that the phenotype analyzer is a microscope.

Предусмотрено, что носитель представляет собой магнитную частицу.It is envisaged that the carrier is a magnetic particle.

Предусмотрено, что носитель представляет собой микроячейку на поверхности чипа.It is envisaged that the carrier is a microcell on the surface of the chip.

Предусмотрено, что система содержит аккумулятор биологических частиц между указанным анализатором фенотипа и указанным микрореактором.It is envisaged that the system contains an accumulator of biological particles between the specified phenotype analyzer and the specified microreactor.

Технический результат достигается тем, что способ анализа фенотипа и последовательности полинуклеотидов биологической частицы, включает стадии:The technical result is achieved in that the method for analyzing the phenotype and sequence of polynucleotides of a biological particle includes the following stages:

оптического анализа указанной биологической частицы для определения фенотипа указанной биологической частицы;optical analysis of the specified biological particle to determine the phenotype of the specified biological particle;

записи указанного фенотипа указанной биологической частицы;recording the specified phenotype of the specified biological particle;

генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов, где кодирующий олигонуклеотид предварительно определенной последовательности прикреплен к указанному носителю; используется индивидуальный носитель для каждой биологической частицы и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой биологической частицы;generating a carrier of coding oligonucleotides, where the coding oligonucleotide of a predetermined sequence is attached to said carrier; uses an individual carrier for each biological particle and applies a unique and predefined barcode for each polynucleotide of each biological particle;

помещение указанной биологической частицы и указанного носителя кодирующих олигонуклеотидов в микрореактор;placing the specified biological particle and the specified carrier of coding oligonucleotides in the microreactor;

лизис указанной биологической частицы для высвобождения указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы; lysis of said biological particle to release said polynucleotides of said biological particle;

лигирование указанных кодирующих олигонуклеотид ов с указанными полинуклеотидами указанной биологической частицы для образования генетического комплекса;ligating said coding oligonucleotides with said polynucleotides of said biological particle to form a genetic complex;

секвенирование указанного генетического комплекса для определения указанной последовательности указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы;sequencing the specified genetic complex to determine the specified sequence of the specified polynucleotides of the specified biological particle;

сопоставление указанного фенотипа указанной биологической частицы с указанной последовательностью указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы.comparing the specified phenotype of the specified biological particle with the specified sequence of the specified polynucleotides of the specified biological particle.

Предусмотрено, что указанная биологическая частица и указанный носитель кодирующих олигонуклеотидов инкапсулированы в капле в указанном микрореакторе. It is provided that said biological particle and said carrier of coding oligonucleotides are encapsulated in a drop in said microreactor.

Предусмотрено, что проточный цитометр выполняет этап оптического анализа указанной биологической частицы для определения фенотипа указанной биологической частицы.Provided that the flow cytometer performs the step of optical analysis of the specified biological particle to determine the phenotype of the specified biological particle.

Предусмотрено, что указанная биологическая частица подается в аккумулятор биологических частиц до того, как указанная биологическая частица помещается в указанный микрореактор.It is envisaged that the specified biological particle is supplied to the accumulator of biological particles before the specified biological particle is placed in the specified microreactor.

Предусмотрено, что способ содержит этап анализа исходящего из указанного микрореактора на наличие ошибок.It is envisaged that the method comprises the step of analyzing the output from said microreactor for errors.

Предусмотрено, что указанная стадия генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов включает выращивание олигонуклеотида на частице.It is contemplated that said step of generating the carrier of the coding oligonucleotides comprises growing the oligonucleotide on the particle.

Предусмотрено, что стадия выращивания олигонуклеотида на частице включает фотоактивацию.It is contemplated that the step of growing the oligonucleotide on the particle includes photoactivation.

Предусмотрено, что включает стадию иммобилизации указанной частицы в ловушке на чипе.Provided that includes the stage of immobilization of the specified particle in the trap on the chip.

Предусмотрено, что стадия генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов включает выращивание олигонуклеотида на чипе.It is contemplated that the step of generating the carrier of the coding oligonucleotides comprises growing the oligonucleotide on a chip.

Техническое решение поясняется графическими материалами, на которых изображено:The technical solution is illustrated by graphic materials, which show:

Фиг. 1А показана схема GIDBC. Конкретный вариант осуществления изобретения на Фиг. 1A использует идентификацию IDBC по положению, обратимую иммобилизацию магнитным полем и фотоактивацию для выращивания олигонуклеотидов. Магнитные частицы (круги) показаны обратимо захваченными в углублениях поверхности чипа внешним магнитным полем (искры). Захваченные частицы индивидуально освещают для снятия фотоудаляемой защиты и затем присоединяют к ним нуклеотиды. Обозначено: DLP-Projector – DLP Проектор.FIG. 1A shows a GIDBC scheme. A specific embodiment of the invention in FIG. 1A uses IDBC positional identification, reversible magnetic field immobilization, and photoactivation to grow oligonucleotides. Magnetic particles (circles) are shown reversibly trapped in the recesses of the chip surface by an external magnetic field (sparks). The captured particles are individually illuminated to remove the photo-removable protection and then nucleotides are attached to them. Designated: DLP-Projector - DLP Projector.

Фиг.1В показан вид сверху на SU-8 мастер-модель прототипа чипа с извилистым микрофлюидным каналом в области фотообработки и магнитными ловушками в канале, отмеченными стрелками.Fig. 1B shows a top view of an SU-8 master model of a prototype chip with a tortuous microfluidic channel in the photo-processing area and magnetic traps in the channel indicated by arrows.

Фиг.2А-2С показаны схемы элемента чипа с перекрестным потоком для синтеза олигонуклеотидов. На Фиг. 2А показано, как реагент вводится в левый резервуар и левую область/ левые оконечности каналов. На Фиг.2В показано, как резервуар заполнен изолирующей средой для разрушения электрического контакта между каналами. Фиг. 2C показывает электроосмотическое перемещение реагента в рабочую область после приложения электрического потенциала к электродам верхнего канала. Верхний горизонтальный канал в чипе можно использовать для добавления нуклеотида ко всем пересечениям в верхнем ряду, а затем для снятия защиты с якорей для выращивания олигонуклеотидов на этих пересечениях, чтобы впоследствии добавить нуклеотид к некоторым из них через вертикальные каналы.Figures 2A-2C are schematic diagrams of a cross-flow chip for oligonucleotide synthesis. FIG. 2A shows how the reagent is introduced into the left reservoir and the left region / left ends of the channels. Figure 2B shows how the reservoir is filled with an insulating medium to break the electrical contact between the channels. FIG. 2C shows the electroosmotic movement of the reagent into the working area after an electrical potential is applied to the upper channel electrodes. The upper horizontal channel in the chip can be used to add nucleotide to all intersections in the upper row, and then to deprotect the anchors to grow oligonucleotides at these intersections, to subsequently add nucleotide to some of them via vertical channels.

Фиг.2D - схема, иллюстрирующая синтез отслеживаемого смешения. Проточный детектор используется для отслеживания каждого IDBC в каждом раунде присоединения нуклеотидов. Четырехходовой клапан направляет по одной четверти суспензии IDBC в камеры для присоединения нуклеотидов A, T, G, C, соответственно. После присоединения нуклеотидов A, T, G и C, IDBC возвращаются в смеситель из всех четырех камер и готовы к следующему этапу выращивания кодирующих олигонуклеотидов. В результате смесь IDBC с уникальными штрихкодами дополняется базой данных, где каждый IDBC-идентификатор связан с определенной кодирующей последовательностью.Fig. 2D is a diagram illustrating the synthesis of a tracked mix. A flow detector is used to track each IDBC in each round of nucleotide attachment. The four-way valve directs one quarter of the IDBC suspension to the chambers for the attachment of nucleotides A, T, G, C, respectively. After nucleotides A, T, G and C are attached, the IDBCs are returned to the mixer from all four chambers and are ready for the next stage of growing the coding oligonucleotides. As a result, a mixture of IDBCs with unique barcodes is complemented by a database where each IDBC identifier is associated with a specific coding sequence.

Фиг.3 представляет собой схему, показывающую компоненты настоящего изобретения в пяти блоках. Блок A представляет собой цитометр (FC) или устройство для сортировки клеток с флуоресцентной активацией (FACS), Блок B представляет собой аккумулятор клеток с камерой, анализирующей положения контрольных микросфер (самые темные три круга), Блок C представляет собой GIDBC с IDBC (например, микросферы), удерживаемые в отдельных ловушках, в то время как олигонуклеотиды с предварительно определенной последовательностью выращиваются путем селективной фотоактивации с использованием DLP-проектора, блок D является генератором капель, в которых происходит кодирование, а блок E является детектором синхронизации. Обозначено: LIF-detector- LIF-детектор, EOF-sorter - EOF-сортировщик, Sample - Образец, Waste – Отходы. Oil - Масло Cells - Клетки, Beads- Микросферы.3 is a diagram showing the components of the present invention in five blocks. Block A is a cytometer (FC) or fluorescence activated cell sorter (FACS), Block B is a cell accumulator with a chamber analyzing the positions of control microspheres (darkest three circles), Block C is a GIDBC with IDBC (e.g. microspheres), held in separate traps, while oligonucleotides with a predetermined sequence are grown by selective photoactivation using a DLP projector, the D block is the droplet generator in which the coding takes place, and the E block is the synchronization detector. Designated: LIF-detector - LIF-detector, EOF-sorter - EOF-sorter, Sample - Sample, Waste - Waste. Oil - Oil Cells - Cells, Beads - Microspheres.

Фиг. 4А-4С показывают примеры компоновки интегрированных чипов. На Фиг. 4А показана компоновка чипа, содержащая все компоненты прибора с гидродинамическими ловушками. Фиг. 4B-4C показывают компоновки чипа, содержащие все компоненты приборов с магнитными ловушками. На Фиг.4В показана компоновка с минимизированными разъёмами, а на Фиг.4С показана компоновка с двойным GIDBC и не включающую петлю в морфологию.FIG. 4A-4C show examples of the arrangement of integrated chips. FIG. 4A shows a chip layout containing all the components of a hydrodynamic trap tool. FIG. 4B-4C show the chip layouts containing all of the magnetic trap instrument components. FIG. 4B shows a layout with minimized connectors, and FIG. 4C shows a dual GIDBC layout with no loop in the morphology.

Фиг. 5 приведен пример схемы чипа со всеми интегрированными компонентами, кроме GIDBC. Компоновка чипа включает в себя выделенную область проточного обнаружения IDBC для синхронизации (E1).FIG. 5 shows an example of a chip diagram with all the integrated components except the GIDBC. The chip arrangement includes a dedicated IDBC flow detection area for synchronization (E1).

Фиг. 6А-6Е изображены компоновки для двухслойных чипов PDMS. На Фиг.6А показана маска для слоя толщиной 5 мкм, содержащего ловушки. На Фиг.6В показана маска для слоя толщиной 40 мкм, содержащего каналы. Эта компоновка подходит для изготовления двухслойных мастеров 105 мм (внутренний круг) и 130 мм (внешний круг) с дополнительными чипами по углам. Она содержит несколько видов чипов, включая чипы для оценки оптимальной геометрии каналов и ловушек. На Фиг.6С показан пример компоновки, содержащей пять областей тестирования (квадраты 3х3 мм, заполненные извилистым каналом с ловушками на 900 и 1800 микросфер в каждой), овальные входы с фильтрами, прямоугольные входы без фильтров и область проточной детекции, ограниченную разъёмом (в центре слева). Вверху справа вставка показывает увеличенные ловушки. На Фиг.6D показано изображение SU-8 мастер-модели, выполненной с использованием масок на Фиг.6А и Фиг.6В. На Фиг.6E показано изображение области готового чипа из PDMS/стекла, которая наполовину заполнена рабочим буфером. Ловушки видны только в заполненной воздухом половине канала из-за более высокой разницы в показателе преломления.FIG. 6A-6E depict layouts for dual layer PDMS chips. 6A shows a mask for a 5 µm layer containing traps. 6B shows a mask for a 40 µm layer containing channels. This layout is suitable for making 105mm (inner circle) and 130mm (outer circle) double layer masters with additional chips at the corners. It contains several types of chips, including chips for evaluating the optimal geometry of channels and traps. 6C shows an example of an arrangement containing five test areas (3x3 mm squares filled with a tortuous channel with traps of 900 and 1800 microspheres each), oval inlets with filters, rectangular inlets without filters, and a flow detection area bounded by a connector (in the center left). Top right inset shows enlarged traps. FIG. 6D shows an SU-8 image of a master model made using the masks of FIGS. 6A and 6B. 6E shows an image of a finished PDMS / glass chip area that is half filled with a work buffer. Traps are only visible in the air-filled half of the channel due to the higher difference in refractive index.

На Фиг.7А показан пример компоновки маски для изготовления чипа с гидродинамическими ловушками. Фиг.7В дает увеличенное изображение ловушек из Фиг.7А. На Фиг. 7C показан элемент SU-8 мастер-модели, выполненной с компоновкой Фиг. 7A и Фиг. 7B. Стрелка обозначает ловушку для микросферы на базе микропотока по укороченной траектории.7A shows an example of a mask arrangement for manufacturing a hydrodynamic trap chip. FIG. 7B is an enlarged view of the traps of FIG. 7A. FIG. 7C shows an SU-8 element of the master model made with the layout of FIG. 7A and FIG. 7B. The arrow denotes a microsphere trap based on a shortened trajectory microflow.

Фиг. 8А-8D показаны магнитные ловушки различной морфологии. Фиг. 8A-8C показывают увеличенные изображения различных комбинаций ловушек канала для вариантов компоновки чипов, показанных на Фиг. 4C, 6C и 6E. Фиг.8D показана область готового чипа из PDMS/стекла, изготовленного с использованием мастера, показанного на Фиг.6D, и наполовину заполненного рабочим буфером. Ловушки видны только в заполненной воздухом половине из-за более высокой разницы в показателе преломления.FIG. 8A-8D show magnetic traps of various morphologies. FIG. 8A-8C show enlarged views of various channel trap combinations for the chip arrangements shown in FIGS. 4C, 6C and 6E. FIG. 8D shows an area of a finished PDMS / glass chip made using the wizard shown in FIG. 6D and half filled with a work buffer. Traps are only visible in the air-filled half due to the higher difference in refractive index.

Фиг.9 показана схема варианта реализации GIDBC с независимым EOF контролем потока среды в каждом горизонтальном канале. Вертикально ориентированные боковые каналы обеспечивают параллельное промывание во время синтеза олигонуклеотидов. Электроды (двойные треугольники) обеспечивают независимую генерацию EOF в отдельных горизонтальных каналах после заполнения вертикальных каналов изолятором. Большие круги представляют резервуары электролита. Импульсная лазерная накачка может использоваться вместо EOF для избирательной прокачки среды.9 is a schematic diagram of an embodiment of GIDBC with independent EOF control of media flow in each horizontal channel. The vertically oriented side channels allow parallel washing during oligonucleotide synthesis. Electrodes (double triangles) provide independent EOF generation in individual horizontal channels after filling the vertical channels with an insulator. The large circles represent the electrolyte reservoirs. Pulsed laser pumping can be used instead of EOF to selectively pump the medium.

Осуществление технического решения.Implementation of the technical solution.

Настоящее изобретение относится к системе и способу интеграции секвенирования полинуклеотидов и анализа фенотипов биологических частиц посредством детерминированного штрихкодирования. В высокопроизводительном анализе система и способ сохраняют связи между фенотипом биологической частицы, оцениваемым неразрушающими методами (например, оптически), и данными секвенирования полинуклеотидов, содержащихся в биологической частице.The present invention relates to a system and method for integrating polynucleotide sequencing and analyzing the phenotypes of biological particles by deterministic barcoding. In a high-throughput assay, the system and method maintain links between the phenotype of a biological particle, assessed by non-destructive methods (eg, optically), and the sequencing data of the polynucleotides contained in the biological particle.

Точнее говоря, настоящее изобретение направлено на создание системы анализа фенотипа и полинуклеотидных последовательностей биологической частицы, включающей анализатор фенотипа, где анализатор фенотипа предназначен для определения фенотипа биологической частицы; генератор идентифицируемых, детерминированно кодирующих носителей, где кодирующий олигонуклеотид заранее определенной последовательности прикреплен к идентифицируемому ядру кодирующих носителей; микрореактор, сконфигурированный для приема биологической частицы из анализатора фенотипа и идентифицируемого кодирующего носителя из генератора, для высвобождения полинуклеотидов из биологической частицы, для выполнения обратной транскрипции, если это необходимо для анализа РНК, для присоединения кодирующих олигонуклеотидов из носителя к полинуклеотидам из биологической частицы, и для амплификации получающихся в результате кодированных полинуклеотидов; и секвенатор для получения последовательностей кодированных полинуклеотидов.More specifically, the present invention is directed to a system for analyzing the phenotype and polynucleotide sequences of a biological particle, including a phenotype analyzer, where the phenotype analyzer is for determining the phenotype of a biological particle; a generator of identifiable, deterministically coding media, where the coding oligonucleotide of a predetermined sequence is attached to an identifiable nucleus of the coding media; a microreactor configured to receive a biological particle from a phenotype analyzer and an identifiable coding carrier from a generator, to release polynucleotides from a biological particle, to perform reverse transcription if necessary for RNA analysis, to attach coding oligonucleotides from a carrier to polynucleotides from a biological particle, and for amplifying the resulting encoded polynucleotides; and a sequencer for obtaining sequences of encoded polynucleotides.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу анализа фенотипических и полинуклеотидных последовательностей биологической частицы, включающему этапы неразрушающего анализа биологической частицы для определения фенотипа биологической частицы; записи фенотипа биологической частицы; генерации кодирующего носителя, в котором кодирующий олигонуклеотид с заранее определенной последовательностью присоединен к идентифицируемому ядру кодирующего носителя; передачи биологической частицы и идентифицируемого носителя кодирующего олигонуклеотида в микрореактор, и сопряжения кодирующего носителя с биологической частицей; лизирования биологической частицы для высвобождения полинуклеотидов биологической частицы; обратной транскрипции РНК с биологической частицы (при необходимости), лигирования кодирующего олигонуклеотида с полинуклеотидами биологической частицы для образования кодированных полинуклеотидов; секвенирования кодированных полинуклеотидов для определения последовательностей полинуклеотидов из биологической частицы; и сопоставления фенотипа биологической частицы с последовательностями полинуклеотидов биологической частицы.In addition, the present invention relates to a method for analyzing phenotypic and polynucleotide sequences of a biological particle, comprising the steps of non-destructive analysis of a biological particle to determine the phenotype of a biological particle; records of the phenotype of a biological particle; generating a coding medium in which a coding oligonucleotide with a predetermined sequence is attached to an identifiable nucleus of the coding medium; transferring the biological particle and an identifiable carrier of the coding oligonucleotide into the microreactor, and conjugation of the coding carrier with the biological particle; lysing the biological particle to release polynucleotides of the biological particle; reverse transcription of RNA from the biological particle (if necessary), ligating the coding oligonucleotide with the polynucleotides of the biological particle to form the encoded polynucleotides; sequencing the encoded polynucleotides to determine the sequences of the polynucleotides from the biological particle; and matching the phenotype of the biological particle to the polynucleotide sequences of the biological particle.

Эти и другие особенности, объекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из рассмотрения следующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления и прилагаемых формул изобретения в сочетании с рисунками, как описано ниже.These and other features, objects and advantages of the present invention will become more apparent from a consideration of the following detailed description of the preferred embodiments and the appended claims, in conjunction with the drawings, as described below.

Частные примеры осуществления.Private examples of implementation.

Со ссылкой на Фиг. 1А-9, можно описать варианты осуществления системы и способа по настоящему изобретению. Настоящее изобретение относится к системе и способу анализа фенотипа и секвенированию полинуклеотидов для ДНК/РНК-содержащих частиц посредством детерминированного штрихкодирования. Система и способ направлены на сохранение связей между оптически оцениваемыми отдельными фенотипами BP и геномом/транскриптомом BP в высокопроизводительном анализе. В отличие от существующих способов mSCS с частицами, несущими уникальные, но случайные кодирующие олигонуклеотиды, в подходе детерминированного штрихкодирования настоящего изобретения используется IDBC для каждой BP и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой BP. Следовательно, IDBC является ключевым элементом данного изобретения.With reference to FIG. 1A-9, embodiments of the system and method of the present invention can be described. The present invention relates to a system and method for phenotype analysis and sequencing of polynucleotides for DNA / RNA-containing particles by deterministic barcoding. The system and method aims to preserve the links between optically scored individual BP phenotypes and the BP genome / transcriptome in a high-throughput assay. Unlike existing mSCS methods with particles carrying unique but random encoding oligonucleotides, the deterministic barcoding approach of the present invention uses IDBC for each BP and applies a unique and predefined barcode for each polynucleotide of each BP. Therefore, IDBC is a key element of this invention.

Для разработки IDBC авторы изобретения рассмотрели комбинации идентифицируемых ядер и процедур выращивания олигонуклеотидов с детерминированными последовательностями. В качестве идентифицируемых ядер авторы изобретения рассматривали: (1) частицы в последовательном потоке, где конкретный IDBC идентифицируется номером в последовательности, на основе его расположения в последовательном оттоке; (2) массив микролунок или микрозон на чипе, где идентичность конкретной микрозоны определяется координатами микрозоны; (3) и частицы со встроенными уникальными идентификационными метками, которые можно идентифицировать в потоке. Последний случай включает в себя частицы с: (а) несколькими оптическими метками (например, флуоресцентными метками или метками гигантского комбинационного рассеивания); и (б) частицы с радиочастотными идентификаторами (RFID).To develop IDBCs, the inventors considered combinations of identifiable nuclei and procedures for growing oligonucleotides with deterministic sequences. As identifiable nuclei, the inventors considered: (1) particles in a sequential stream, where a particular IDBC is identified by a sequence number based on its location in the sequential outflow; (2) an array of microwells or microzones on a chip, where the identity of a particular microzone is determined by the coordinates of the microzone; (3) and particles with embedded unique identification marks that can be identified in the stream. The latter case includes particles with: (a) multiple optical labels (eg, fluorescent labels or giant Raman labels); and (b) RFID particles.

Затем олигонуклеотиды с известными, заранее определенными последовательностями выращивают на идентифицируемых ядрах IDBC, описанных выше, для получения IDBC посредством одной из следующих процедур выращивания: (1) фотоактивация; (2) синтез в перекрещивающихся потоках; или (3) синтез с отслеживанием смешивания.Oligonucleotides with known, predetermined sequences are then grown on the identifiable IDBC cores described above to obtain IDBC by one of the following growth procedures: (1) photoactivation; (2) synthesis in crossed streams; or (3) mixing tracking synthesis.

Фотоактивация является хорошо отработанной технологией для генерации олигонуклеотидов с заранее определенной последовательностью на поверхности чипа. Вкратце, защитные группы удаляются в выбранных микрозонах при освещении светом, и один нуклеотид (A, T, G или C) присоединяется к растущим олигонуклеотидам в активированных микрозонах. Этот процесс повторяется для остальных трех нуклеотидов. Затем эти четыре цикла повторяются N-раз для N-нуклеотидных длинных олигонуклеотидов, генерируя до 4N уникальных микрозон.Photoactivation is a well established technique for generating oligonucleotides with a predetermined sequence on the surface of a chip. Briefly, the protecting groups are removed in selected microzones under light illumination and one nucleotide (A, T, G, or C) is attached to growing oligonucleotides in the activated microzones. This process is repeated for the remaining three nucleotides. These four cycles are then repeated N times for N-nucleotide long oligonucleotides, generating up to 4N unique microzones.

Фотоактивированный синтез может давать множество областей с олигонуклеотидами с микрозона-специфическими, заранее определенными последовательностями. Количество областей и, следовательно, различных последовательностей, как правило, не ограничено и зависит только от размера чипа и разрешающей способности процесса. В настоящее время при наиболее эффективном подходе к фотоактивации используется цифровая обработка света (DLP), которая позволяет сформировать миллионы независимых микрозон для уникальных последовательностей в одной обработке.Photoactivated synthesis can produce a variety of oligonucleotide regions with microzone-specific, predetermined sequences. The number of regions and, therefore, different sequences, as a rule, is not limited and depends only on the size of the chip and the resolution of the process. Currently, the most efficient approach to photoactivation uses digital light processing (DLP), which allows the formation of millions of independent microzones for unique sequences in a single processing.

Эта технология может применяться «как есть» для роста олигонуклеотидов на микрозонах чипа (идентифицируемый вариант ядра № 2), а также с изменениями – для выращивания олигонуклеотидов на идентифицируемых микрочастицах (идентифицируемые варианты ядра № 1 и № 3). Для последнего необходима обратимая иммобилизация микрочастиц в заранее определенных микрозонах чипа, как показано на Фиг. 1А-1В, 3, 6С, 6Е и 7А-9.This technology can be applied "as is" for the growth of oligonucleotides on microzones of the chip (identifiable nucleus variant No. 2), as well as, with modifications, for growing oligonucleotides on identifiable microparticles (identifiable nucleus variants No. 1 and No. 3). The latter requires reversible immobilization of microparticles in predetermined microzones of the chip, as shown in FIG. 1A-1B, 3, 6C, 6E and 7A-9.

Частицы могут быть обратимо иммобилизованы (или захвачены) в заранее определенных микрозонах микрофлюидного канала, которые организованных в области фотообработки на чипе так, чтобы разместить максимальное количество этих микрозон в этой области. Возможны магнитный, гидродинамический, диэлектрофорезный, химический, вакуумный и инерционный подходы к иммобилизации. При магнитном подходе намагниченные (обладающие магнитной восприимчивостью, например, суперпарамагнитные) частицы удерживаются внешним магнитным полем в поверхностных выемках или ловушках, как показано на Фиг. 1B, 3, 4B, 4C, 6C и 6E. При гидродинамическом подходе частицы удерживаются в микроканалах сокращённой траектории, с сечением меньшим, чем у микрочастиц, как показано на Фиг. 4А и 7А-С. При диэлектрофорезном подходе микрочастицы удерживаются в ловушках, заданных электродами, посредством переменного электромагнитного поля с частотой, определяемой размером частицы. При химическом подходе частицы химически иммобилизуются с использованием расщепляемых связей (например, ковалентных, ионных, гидрофобных, ван-дер-ваальсовых, водородных и т.д.), но это связывание не должно мешать синтезу олигонуклеотидов и должно быть полностью обратимым. Силу тяжести можно использовать для очень низких потоков; а центробежная сила может быть использована на чипах в вращающемся держателе. При вакуумном подходе микрочастицы удерживаются в ловушках путем внешней генерации пониженного давления в ловушках.Particles can be reversibly immobilized (or captured) in predetermined microzones of the microfluidic channel, which are organized in the photo-processing area on the chip so as to accommodate the maximum number of these microzones in this area. Possible magnetic, hydrodynamic, dielectrophoresis, chemical, vacuum and inertial approaches to immobilization. In the magnetic approach, magnetized (magnetically susceptible, eg, superparamagnetic) particles are held back by an external magnetic field in surface recesses or traps, as shown in FIG. 1B, 3, 4B, 4C, 6C and 6E. In the hydrodynamic approach, particles are held in microchannels of a shortened trajectory, with a cross section smaller than that of microparticles, as shown in FIG. 4A and 7A-C. In the dielectrophoresis approach, microparticles are held in traps defined by electrodes by means of an alternating electromagnetic field with a frequency determined by the particle size. In a chemical approach, particles are chemically immobilized using cleavable bonds (for example, covalent, ionic, hydrophobic, van der Waals, hydrogen, etc.), but this binding should not interfere with the synthesis of oligonucleotides and should be completely reversible. Gravity can be used for very low flows; and centrifugal force can be used on chips in a rotating holder. In the vacuum approach, microparticles are held in traps by external generation of reduced pressure in the traps.

Из этих альтернатив магнитная иммобилизация, как показано на Фиг.1А, является предпочтительным вариантом, за которым следует гидродинамический и диэлектрофорезный подходы. Таким образом, авторы изобретения идентифицировали способ фотоактивации с магнитным, гидродинамическим или диэлектрофорезным удерживанием, используемым для позиционирования ядер IDBC, для выращивания кодирующих олигонуклеотидов на IDBC, идентифицируемых по положению в последовательном потоке, в качестве предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.Of these alternatives, magnetic immobilization, as shown in FIG. 1A, is the preferred option, followed by hydrodynamic and dielectrophoresis approaches. Thus, the inventors have identified a magnetic, hydrodynamic or dielectrophoresis retention photoactivation method used to position IDBC nuclei for growing coding oligonucleotides on IDBCs identified by position in a sequential stream as a preferred embodiment of the present invention.

Синтез перекрещивающихся потоков является альтернативой для случаев, когда фотоактивация не подходит. В этой альтернативе олигонуклеотиды выращивают на идентифицируемых ядрах в местах пересечения индивидуально контролируемых микрофлюидных потоков, как показано на Фиг. 2А-С. Предлагается использовать чип с сеткой микрофлюидных каналов, с расположением ядер на пересечениях каналов, и с электродами, размещенными в конце каждого канала. Электроды используются для генерации EOF между каждой выбранной парой электродов и селективного управления средой между ними. В качестве альтернативы, лазерная пульсация может быть использована для управления такой средой. Окончания каналов на каждой стороне чипа подключены к резервуарам. Резервуары поэтапно заполняют реагентами для прикрепления определенного защищенного нуклеотида к растущим меткам (кодирующим олигонуклеотидам), и затем изолированной средой. Сочетание чередующегося заполнения пересекающихся каналов и смены типа присоединяемого нуклеотида приводит к выращиванию олигонуклеотида уникальной и заранее известной последовательности на IDBC на каждом пересечении. Для большей гибкости получаемых последовательностей один набор каналов может быть заполнен реагентом, снимающим защиту с якоря, а другой - реагентом, присоединяющим нуклеотиды. В качестве альтернативы, среда может управляться (прокачиваться) импульсным лазером.Crossed flow synthesis is an alternative for cases where photoactivation is not suitable. In this alternative, oligonucleotides are grown on identifiable nuclei at the intersection of individually controlled microfluidic flows, as shown in FIG. 2A-C. It is proposed to use a chip with a grid of microfluidic channels, with the arrangement of nuclei at the intersections of the channels, and with electrodes placed at the end of each channel. Electrodes are used to generate EOF between each selected pair of electrodes and selectively control the medium between them. Alternatively, laser pulsation can be used to control such an environment. The ends of the channels on each side of the chip are connected to the reservoirs. Reservoirs are filled stepwise with reagents for attaching a specific protected nucleotide to growing labels (coding oligonucleotides), and then with isolated medium. The combination of alternating filling of intersecting channels and a change in the type of nucleotide to be attached leads to the growth of an oligonucleotide of a unique and predetermined sequence on IDBC at each intersection. For greater flexibility in the resulting sequences, one set of channels can be filled with an anchoring reagent and the other with a nucleotide attaching reagent. Alternatively, the medium can be controlled (pumped) by a pulsed laser.

Синтез с отслеживанием смешивания является предпочтительным методом выращивания олигонуклеотидов на IDBC, если используются ядра с внутренним идентификатором (RFID или оптическим). Примером IDBC с внутренним идентификатором является ядро с идентификатором, созданным комбинацией 16 флуорофоров, которые одновременно обнаруживаются во многих коммерческих цитометрах и допускают 216 = 65 536 уникальных идентификаторов (для бинарной метки). Половина образца IDBC может быть модифицирована одним флуорофором, затем смешана с немодифицированной половиной, и этот цикл повторяется с другими флуорофорами. Также возможны другие средства идентификации (например, RFID, магнитная, оптическая не флуоресцентная и т.д.). Комбинации различных идентификаторов (например, флуоресцентного и RFID) дополнительно увеличивают количество уникальных идентификаторов ядра.Mix tracking synthesis is the preferred method for growing oligonucleotides on IDBCs when using cores with an internal identifier (RFID or optical). An example of an IDBC with an internal identifier is a nucleus with an identifier created by a combination of 16 fluorophores that are simultaneously found in many commercial cytometers and allow 216 = 65536 unique identifiers (for a binary tag). Half of the IDBC sample can be modified with one fluorophore, then mixed with the unmodified half, and this cycle is repeated with other fluorophores. Other means of identification are also possible (eg RFID, magnetic, optical non-fluorescent, etc.). Combinations of different identifiers (eg fluorescent and RFID) further increase the number of unique kernel identifiers.

В существующих mSCS со случайным штрихкодированием, набор из четырех реакторов вводит один нуклеотид на каждом этапе синтеза. После каждого шага все частицы смешиваются и делятся на четыре фракции для следующего шага. Но для IDBC с встроенными в ядра идентификаторами, авторы изобретения предлагают соединить эти реакторы и смеситель с микрофлюидными линиями с проточным детектором, как показано на Фиг. 2D. В результате каждый переход IDBC между камерой смешивания и реакторами записывается, и доступна полная история движения для каждого IDBC, которая определяет последовательность кодирующих олигонуклеотидов. Частицы, которые получили одну и ту же последовательность (то есть проходили по одному и тому же пути во всех циклах синтеза), могут быть удалены из конечной смеси с использованием сортировщика, активируемого тем же проточными детектором.In existing random barcode mSCS, a set of four reactors introduces one nucleotide at each step of the synthesis. After each step, all particles are mixed and divided into four fractions for the next step. But for IDBCs with core-embedded identifiers, the inventors propose to connect these reactors and a microfluidic mixer to a flow-through detector as shown in FIG. 2D. As a result, each IDBC transition between the mixing chamber and the reactors is recorded and a complete movement history is available for each IDBC, which determines the sequence of the coding oligonucleotides. Particles that received the same sequence (that is, followed the same path in all synthesis cycles) can be removed from the final mixture using a sorter activated by the same flow detector.

IDBC, генерируемые с помощью этих ядер и процедур выращивания олигонуклеотидов, обеспечивают несколько подходов к детерминированному штрихкодированию, которые объединяют неразрушающий анализ фенотипа (например, проточный цитометр или анализ изображений под микроскопом) биологических частиц с mSCS-анализом генома или транскриптома биологических частиц. IDBC позволяет индивидуально маркировать каждую биологическую частицу после почти любого анализа фенотипа и связывать фенотип этих биологических частиц с их индивидуальными данными секвенирования. Размер популяции анализируемых биологических частиц ограничен только производительностью секвенирования, которая является быстро растущей областью. Это гарантирует, что данное изобретение будет не только полезным в современных приложениях биомедицинских исследований, но будет еще более полезным в будущих. Даже при использовании современных технологий секвенирования анализы могут включать миллионы частиц с малыми геномами/транскриптомами или небольшими целевыми генетическими элементами. Детерминированное (или известное и предварительно определенное) штрихкодирование в настоящем изобретении способно измерять любую комбинацию оптически оцениваемых фенотипических свойств, включая, но не ограничиваясь следующими: (1) мембранный потенциал, мембранную текучесть и электропермеабилизацию мембраны; (2) внутриклеточный рН, содержание ионов и кислорода; (3) общее содержание ДНК/РНК, вариабельность числа копий, анализ хромосом и сортировка; (4) экспрессия белка, модификация белка и локализация белка; (5) присутствие внутриклеточных, внутриядерных и поверхностных антигенов; (6) ферментативная активность; (7) жизнеспособность клеток, объем и морфологическая сложность; (8) наличие множественной лекарственной устойчивости; (9) адгезия (например, патогена к клетке-хосту); (10) параметры апоптоза посредством измерения деградации ДНК, потенциала митохондриальной мембраны и изменения её проницаемости; и (11) концентрация клеточных пигментов и трансгенных продуктов in vivo (например, зеленый флуоресцентный белок).The IDBCs generated by these nuclei and oligonucleotide growth procedures provide several deterministic barcoding approaches that combine non-destructive phenotype analysis (e.g., flow cytometer or microscope image analysis) of biological particles with mSCS analysis of the genome or transcriptome of biological particles. IDBC allows each biological particle to be individually labeled after almost any phenotype analysis and to link the phenotype of these biological particles to their individual sequencing data. The population size of the analyzed biological particles is limited only by the sequencing performance, which is a rapidly growing area. This ensures that the present invention will not only be useful in current biomedical research applications, but will be even more useful in the future. Even with modern sequencing technologies, assays can include millions of particles with small genomes / transcriptomes or small target genetic elements. Deterministic (or known and predetermined) barcoding in the present invention is capable of measuring any combination of optically measurable phenotypic properties, including, but not limited to: (1) membrane potential, membrane fluidity, and membrane electropermeabilization; (2) intracellular pH, ion and oxygen content; (3) total DNA / RNA content, copy number variability, chromosome analysis and sorting; (4) protein expression, protein modification and protein localization; (5) the presence of intracellular, intranuclear and surface antigens; (6) enzymatic activity; (7) cell viability, volume and morphological complexity; (8) the presence of multidrug resistance; (9) adhesion (for example, a pathogen to a host cell); (10) parameters of apoptosis by measuring DNA degradation, mitochondrial membrane potential and changes in its permeability; and (11) the concentration of cellular pigments and transgenic products in vivo (eg, green fluorescent protein).

Вариант осуществления изобретения.An embodiment of the invention.

В одном предпочтительном варианте осуществления IDBC генерируются с использованием частиц (например, микросфер) в последовательном потоке в качестве идентифицируемых ядер с фотоактивацией в качестве процедуры для роста олигонуклеотидов на микросферах. Использование этих IDBC в системе по настоящему изобретению может установить взаимно-однозначное соответствие между информацией о последовательностях полинуклеотидов индивидуальных клеток и данными проточной цитометрии в высокопроизводительном анализе.In one preferred embodiment, IDBCs are generated using particles (eg, microspheres) in a sequential stream as identifiable photoactivated nuclei as a procedure for growing oligonucleotides on microspheres. Using these IDBCs in the system of the present invention can establish a one-to-one correspondence between polynucleotide sequence information of individual cells and flow cytometry data in a high throughput assay.

Как показано на Фиг. 3, FC собирает и записывает информацию, специфичную для отдельной BP, и направляет отсортированные BP в систему через дополнительный аккумулятор клеток. Параллельно микрофлюидный чип обратимо иммобилизует микрочастицы в заранее заданном массиве. Несколько стадий фотоактивированного синтеза производят множество IDBC, содержащих олигионуклеотиды с заранее определенной уникальной последовательностью для каждого идентифицируемого ядра (т.е. микросферы). Поток IDBC из этого чипа комбинируется с потоком BP от аккумулятора BP в создаваемых в чипе каплях (то есть микрореакторах), которые генерируются с парами IDBC-BP для штрихкодирования и секвенирования. Детерминированное штрихкодирование полинуклеотидов BP позволяет сопоставлять данные секвенирования для этих полинуклеотидов с данными цитометрии и анализа изображений BP, из которых происходили полинуклеотиды.As shown in FIG. 3, FC collects and records information specific to an individual BP and routes the sorted BPs to the system via an additional cell accumulator. In parallel, the microfluidic chip reversibly immobilizes the microparticles in a predetermined array. Several photoactivated synthesis steps produce multiple IDBCs containing oligionucleotides with a predetermined unique sequence for each identified nucleus (ie, microspheres). The IDBC stream from this chip is combined with the BP stream from the BP accumulator in in-chip droplets (i.e. microreactors) that are generated with IDBC-BP pairs for barcoding and sequencing. Deterministic barcoding of BP polynucleotides allows sequencing data for these polynucleotides to be matched against cytometry and BP image analysis data from which the polynucleotides originated.

В этом предпочтительном варианте осуществления, как показано на Фиг.3, где каждым компонент помечен буквой, система состоит из следующих компонентов:In this preferred embodiment, as shown in FIG. 3, where each component is labeled with a letter, the system consists of the following components:

Компонент A: Проточный цитометр с опциональным сортировщиком;Component A: Flow Cytometer with Optional Sorter;

Компонент B: аккумулятор BP с устройством визуализации BP и референсных микросфер для подтверждения и отслеживания взаимного расположения BP и референсных микросфер;Component B: BP battery with BP and reference microsphere imaging device to confirm and track the relative position of BP and reference microspheres;

Компонент C: GIDBC с ещё одним анализатором изображения референсных микрочастиц для подтверждения и отслеживания взаимного расположения кодирующих микрочастиц IDBC и референсных микросфер;Component C: GIDBC with another reference microparticle image analyzer to confirm and track the relative position of IDBC coding microparticles and reference microspheres;

Компонент D: Чип для генерации капель вода-в-масле/микрореактора, где происходит высвобождение и штрихкодирование полинуклеотидов BP; иComponent D: Chip for generating water-in-oil droplets / microreactor where BP polynucleotides are released and barcode; and

Компонент E: проточный датчик IDBC референсных частиц для исправления ошибок, если относительное взаимное расположение неверно.Component E: In-line reference particle IDBC sensor to correct errors when relative positioning is incorrect.

Система позволяет произвести полную интеграцию всех компонентов на одном чипе (как показано на рисунках 4A-C), комбинацию отдельных чипов, соединенных микрофлюидными линиями, и комбинацию основанных на чипах капиллярных и макроскопических устройств (как показано на Фиг. 3 и 5).The system allows full integration of all components on a single chip (as shown in Figures 4A-C), a combination of individual chips connected by microfluidic lines, and a combination of chip-based capillary and macroscopic devices (as shown in Figures 3 and 5).

Авторы изобретения изготовили различные PDMS чипы (Фиг. 6A, B, D), включая прототипы отдельных GDBB (Фиг. 6C, 6E и 7A-8D), интегрированные в едином чипе инструменты (Фиг. 4A-C) и промежуточные варианты (например, чип со всеми компонентами, кроме GDBB (т.е. включающий микрофлюидику для FACS, аккумулятор BP, генератор капель и детектор синхронизации), (как показано на Фиг. 5).The inventors have manufactured various PDMS chips (Fig. 6A, B, D), including prototype individual GDBBs (Fig. 6C, 6E and 7A-8D), integrated tools on a single chip (Fig. 4A-C), and intermediate options (for example, a chip with all components except GDBB (ie, including microfluidics for FACS, BP battery, droplet generator and timing detector) (as shown in FIG. 5).

Для изготовления чипов использовался двухслойный процесс мягкой литографии с 5 мкм-слоем ловушек и 40 мкм-слоем каналов для диаметра ядра от 5 до 10 мкм. Авторы изобретения изготовили литографическую маску для каждого слоя (Фиг.6A-6B), мастер-модель SU-8 (Фиг.6D) и слепки PDMS. Авторы изобретения вырезали отливки из PDMS по размеру отдельного чипа и приклеивали их к подложке из активированного стекла или отливке PDMS для изготовления чипов (Фиг. 6Е). Получающиеся в результате чипы имеют стеклянную сторону для оптического доступа и сторону PDMS для подключения жидкостных линий и магнитного воздействия (Фиг. 1B).The chips were fabricated using a two-layer soft lithography process with a 5 µm layer of traps and a 40 µm layer of channels for a core diameter of 5 to 10 µm. The inventors made a lithographic mask for each layer (FIGS. 6A-6B), a master model SU-8 (FIG. 6D) and PDMS impressions. The inventors cut PDMS castings to the size of a single chip and adhered them to an activated glass substrate or PDMS casting to make chips (Fig. 6E). The resulting chips have a glass side for optical access and a PDMS side for fluid lines and magnetism (FIG. 1B).

Подробное описание каждого компонента системы и его альтернатив приведено ниже:A detailed description of each component of the system and its alternatives is given below:

(А) Цитометр/сортировщик(A) Cytometer / sorter

Проточный цитометр используется для проточного анализа фенотипа и сортировки интересующих BP. Хотя в системе возможно использовать большинство цитометров и других анализаторов частиц в потоке, предпочтительна схема на основе капилляров (Фиг. 3A) или схема на чипе (Фиг. 4A-5).A flow cytometer is used for flow phenotype analysis and sorting of BPs of interest. Although it is possible to use most cytometers and other in-line particle analyzers in the system, a capillary based circuit (FIG. 3A) or an on-chip circuit (FIGS. 4A-5) is preferred.

BP могут перемещаться через микрофлюидный канал с помощью внешнего давления, EOF, лазерной пульсации или других средств, хорошо известных специалистам в данной области. Авторы изобретения предлагают EOF и лазерную пульсацию в качестве основного движущего средства, потому что они быстро реагируют и не требуют движущихся частей. BP могут быть детектированы в канале или в кювете с гидродинамической фокусировкой с помощью LIF/LS. Детекция в канале проще в реализации и использовании, в то время как обнаружение в кювете с гидродинамической фокусировкой может обеспечить лучшее отношение сигнал / шум и более высокую пропускную способность. Сортировка может быть активирована с помощью флуоресцентного сигнала, сигнала светорассеяния или любого другого сигнала от детектора и выполняется с использованием перенаправления потока посредством EOF, лазерной пульсации или других средств, хорошо известных специалистам в данной области. Управление EOF проще в реализации, в то время как управление лазерными импульсами меньше зависит от химического состава поверхности стенок канала и обеспечивает лучшую пропускную способность. Как показано на Фиг. 3, часть образца, которая не соответствует критериям сортировки, выводится из системы как отходы.BP can be moved through the microfluidic channel using external pressure, EOF, laser pulsation, or other means well known to those skilled in the art. The inventors propose EOF and laser pulsation as the main motive means because they are quick to react and do not require moving parts. BP can be detected in a channel or in a hydrodynamic focusing cuvette using LIF / LS. Channel detection is easier to implement and use, while hydrodynamic focusing cuvette detection can provide better signal-to-noise ratio and higher throughput. Sorting can be activated with a fluorescent signal, a light scatter signal, or any other signal from a detector and is performed using flow redirection by EOF, laser pulsing, or other means well known to those of skill in the art. EOF control is easier to implement, while laser pulse control is less dependent on the chemical composition of the channel wall surface and provides better throughput. As shown in FIG. 3, the part of the sample that does not meet the sorting criteria is discharged from the system as waste.

(B) Аккумулятор клеток(B) Cell accumulator

Аккумулятор клеток опционально используется для (i) своевременной разделительной сортировки BP и генерации капель, чтобы избежать взаимных помех между драйверами потоков различных компонент, и (ii) визуализации BP и референсных частиц для коррекции ошибок.The cell accumulator is optionally used for (i) timely BP sorting and droplet generation to avoid mutual interference between flow drivers of different components, and (ii) visualization of BP and reference particles for error correction.

BP загружаются в длинный микрофлюидный канал (Фиг. 3) или в более сложные микрофлюидные системы (аналогично показанным на Фиг. 7А-С и 9) и могут подаваться в том же порядке к компоненту D системы в любое удобное время. Во время загрузки BP с референсными частицами могут изображаться на чипе для проверки последовательности и объема загрузки через анализ количества BP между референсными частицами. Глубокий анализ изображения может также предоставить дополнительную информацию о фенотипе BP (например, форму ВР), дополняющую информацию, полученную с помощью проточного детектора.BPs are loaded into a long microfluidic channel (FIG. 3) or more complex microfluidic systems (similar to those shown in FIGS. 7A-C and 9) and can be fed in the same order to component D of the system at any convenient time. During loading BPs with reference particles can be displayed on the chip to check the sequence and volume of the loading by analyzing the amount of BP between the reference particles. In-depth image analysis can also provide additional information about BP phenotype (eg, BP shape) to complement the information obtained with the flow-through detector.

Хотя этот компонент рекомендуется для расширения возможностей системы, он не является абсолютно необходимым. Если BP не используются, то они могут быть напрямую направлены в компонент D после сортировки из блока A. И наоборот, этот компонент с продвинутым анализом изображения может использоваться не только в дополнение, но и в качестве замены для блока A. В этом случае, фенотипические данные собираются исключительно посредством анализа изображения, хотя это также уменьшит возможности системы.While this component is recommended for system enhancement, it is not absolutely necessary. If BPs are not used, then they can be directly directed to component D after sorting from block A. Conversely, this component with advanced image analysis can be used not only in addition, but also as a replacement for block A. In this case, phenotypic the data is collected exclusively through image analysis, although this will also diminish the capabilities of the system.

(C) GIDBC(C) GIDBC

В этом предпочтительном варианте осуществления ядром IDBC являются частицы в последовательном потоке, где каждая конкретная частица идентифицируется серийным номером (то есть положением в потоке) для отслеживания ее положения относительно других микрочастиц носителя и референсных частиц (Фиг. 3, 4А-C, 6C, 7A-C и 8A-D). Как описано выше, кодирующие олигонуклеотиды выращивают на частицах посредством фотоактивации (Фиг. 1). В этом варианте осуществления необходима обратимая иммобилизация частиц в «ловушках», расположенных в заранее определенных микрозонах на чипе. Эти ловушки расположены в микрофлюидном канале, который занимает как можно большую часть фотообработываемой площади чипа. Из описанных выше возможностей в этом предпочтительном варианте осуществления используются магнитные (Фиг. 1A-B, 2C, 4A-C, 6C, 6E и 8A-9) или гидродинамические (Фиг. 7A-C) ловушки.In this preferred embodiment, the core of the IDBC is particles in a sequential stream, where each particular particle is identified by a serial number (i.e., position in the stream) to track its position relative to other carrier microparticles and reference particles (FIGS. 3, 4A-C, 6C, 7A -C and 8A-D). As described above, the coding oligonucleotides are grown on the particles by photoactivation (FIG. 1). In this embodiment, the reversible immobilization of particles in "traps" located in predetermined microzones on the chip is required. These traps are located in the microfluidic channel, which occupies as large a part of the photoprocessed area of the chip as possible. Of the possibilities described above, this preferred embodiment uses magnetic (FIGS. 1A-B, 2C, 4A-C, 6C, 6E and 8A-9) or hydrodynamic (FIGS. 7A-C) traps.

Геометрия магнитных ловушек зависит от размера микросфер и гидродинамических свойств чипа. Для микросфер диаметром 8 мкм авторы изобретения изготовили чипы с шириной канала от 20 до 80 мкм, чтобы найти оптимальный баланс между загрузкой, контролем последовательности и сопротивлением засорению; круглые, треугольные и трапециевидные формы ловушек размером 5-20 мкм для оптимального контроля загрузки и высвобождения; и расстояние между ловушками от 50 до 100 мкм для оценки возможных оптических перекрестных помех и для контроля последовательности элюирования с изменением расстояния между ловушками (Фиг. 6A-E). В качестве альтернативного варианта осуществления авторы изобретения также изготовили чипы с набором гидродинамических ловушек (Фиг. 4A и Фиг. 7A-C). Чипы с диэлектрофорезными ловушками также рассматривались, но им был присвоен более низкий приоритет.The geometry of the magnetic traps depends on the size of the microspheres and the hydrodynamic properties of the chip. For microspheres with a diameter of 8 µm, the inventors made chips with a channel width of 20 to 80 µm in order to find the optimal balance between loading, sequence control and clogging resistance; round, triangular and trapezoidal 5-20 micron traps for optimal control of loading and release; and a trap spacing of 50 to 100 µm to assess possible optical crosstalk and to monitor the elution sequence with varying trap spacing (FIGS. 6A-E). As an alternative embodiment, the inventors also made chips with a set of hydrodynamic traps (Fig. 4A and Fig. 7A-C). Dielectrophoresis trap chips have also been considered, but given a lower priority.

Оптимизация организации ловушек ядра в GIDBC. Для магнитной иммобилизации ловушки могут быть не только изотропными (то есть симметричными относительно потока среды), но также анизотропными для облегчения иммобилизации и высвобождения, в зависимости от направления потока среды, и упрощения управления вращением IDBC, если это необходимо. Для изотропных ловушек предпочтительна круговая геометрия, а для анизотропных ловушек предлагаются треугольные или трапециевидные ловушки (Фиг. 8A-D). Для улучшения покрытия микросфер олигонуклеотидными метками может быть реализовано вращение микросфер в ловушках. Вращение может быть вызвано посредством суперпозиции сдвигающей силы потока среды и силы захвата (магнитной, диэлектрофорезной и т. д.). Альтернативно, оптическое снятие защиты якорей может асимметрично экспонировать заряженные группы, создавая основанный на EOF импульс вращения. Кроме того, вращение электромагнитного поля может вызвать импульс, в случае соответствующей поляризуемости микрочастиц.Optimizing the organization of kernel traps in GIDBC. For magnetic immobilization, traps can be not only isotropic (i.e., symmetric with respect to the flow of the medium), but also anisotropic to facilitate immobilization and release, depending on the direction of flow of the medium, and to simplify the rotation control of the IDBC, if necessary. For isotropic traps, circular geometry is preferred, and for anisotropic traps, triangular or trapezoidal traps are suggested (FIGS. 8A-D). To improve the coverage of microspheres with oligonucleotide labels, rotation of microspheres in traps can be implemented. Rotation can be caused by a superposition of the shear force of the flow of the medium and the force of capture (magnetic, dielectrophoresis, etc.). Alternatively, the optical deprotection of the anchors can asymmetrically expose the charged groups, creating an EOF based rotation pulse. In addition, the rotation of the electromagnetic field can cause an impulse if the microparticles are polarized appropriately.

Оптимизация высвобождения микросфер в GIDBC. Высвобождение микросфер будет вызвано снятием силы захвата, при наличии сдвигающей силы потока среды. Однако при необходимости могут быть реализованы дополнительные средства контроля высвобождения и подавления нежелательной сорбции. К ним относятся (1) инвертированное или переменное поле, (2) реверсивный поток среды для анизотропных магнитных ловушек, как описано, и гидродинамические ловушки, (3) ультразвуковой драйвер и/или импульсное лазерное освещение, (4) обращение поверхностного заряда, (5) использование хаотропных агентов и (6) вращение микросфер.Optimization of the release of microspheres in GIDBC. The release of the microspheres will be caused by the removal of the gripping force, in the presence of the shear force of the flow of the medium. However, if necessary, additional means of controlling the release and suppressing unwanted sorption can be implemented. These include (1) inverted or alternating field, (2) reversible fluid flow for anisotropic magnetic traps, as described, and hydrodynamic traps, (3) ultrasonic driver and / or pulsed laser illumination, (4) surface charge reversal, (5 ) the use of chaotropic agents; and (6) the rotation of the microspheres.

Контроль последовательности микросфер в исходящем потоке в GIDBC: Для последовательного потока микросфер важно обеспечить сохранение взаимного порядка микросфер в исходящем потоке. Для мониторинга этого порядка авторы изобретения предлагают использовать оптически меченые микросферы в качестве референсных, для маркировки положений микросфер на чипе. С помощью этих референсных микросфер можно определить, остается ли количество немаркированных микросфер между оптически меченными в исходящем потоке одинаковым, и сравнить 2D-визуализацию оптически меченых референсных микросфер в ловушках в общей области фотообработки микросфер GIDBC с данными из LIF / LS проточного детектора (Фиг. 3-5).Controlling the sequence of the microspheres in the outgoing stream in the GIDBC: For a consistent stream of microspheres, it is important to ensure that the mutual order of the microspheres in the outgoing stream is maintained. To monitor this order, the inventors propose to use optically labeled microspheres as a reference to mark the positions of the microspheres on the chip. Using these reference microspheres, it is possible to determine whether the number of unlabeled microspheres between the optically labeled in the outgoing stream remains the same, and compare the 2D imaging of the optically labeled reference microspheres in traps in the general image processing area of the GIDBC microspheres with data from the LIF / LS flow detector (Fig. 3 -5).

Обработка микросфер с высокой производительностью. Для тысяч микросфер достаточно простейших одноканальных чипов (Фиг. 3, 4B, 4C, 6C, 6E, 8A-D) с элюцией под действием давления, лазерных импульсов или EOF. Тем не менее, для миллионов микросфер и более крупных чипов сопротивление потоку может быть слишком высоким для движения по одному каналу. В этом случае каналы могут заполняться параллельно и впоследствии элюироваться (см. пример с гидродинамическими ловушками на Фиг. 4А и Фиг. 7А-С). Более универсальная схема представлена на Фиг. 9.Processing of microspheres with high productivity. For thousands of microspheres, the simplest single-channel chips (FIGS. 3, 4B, 4C, 6C, 6E, 8A-D) with elution under pressure, laser pulses or EOF are sufficient. However, for millions of microspheres and larger chips, the flow resistance may be too high to travel through a single channel. In this case, the channels can be filled in parallel and subsequently eluted (see the example with hydrodynamic traps in Fig. 4A and Fig. 7A-C). A more versatile circuit is shown in FIG. nine.

В этой конструкции каналы могут заполняться и обрабатываться параллельно и элюироваться последовательно. Межканальные соединения потока могут быть заблокированы затвердевающей средой (например, фоторезистом) с последующим элюированием под давлением. Чипы, управляемые EOF, также допускают параллельную загрузку и обработку. Избыточные межканальные электрические соединения могут быть заблокированы изолирующей средой, что позволяет провести точно управляемое EOF элюирование независимо в каждом отдельном канале. Импульсная лазерная прокачка тоже может быть использована. Увеличение масштаба также потребовало бы более высокого разрешения оптической обработки, где могут возникнуть оптические перекрестные помехи. Подавление нежелательного распространения света может потребоваться посредством контроля показателя преломления, обработки поверхности для гашения света и увеличения размера области обработки.In this design, channels can be filled and processed in parallel and eluted sequentially. Inter-channel flow connections can be blocked with a solidifying medium (eg photoresist) followed by elution under pressure. EOF-driven chips also allow for parallel loading and processing. Excessive channel-to-channel electrical connections can be blocked with isolation media, allowing precise controlled EOF elution to be performed independently in each individual channel. Pulsed laser pumping can also be used. Scaling up would also require higher resolution optical processing where optical crosstalk can occur. Suppression of unwanted light propagation may be required through refractive index control, surface treatment to extinguish the light, and increase in the size of the treatment area.

(D) Генератор кодирующих микрореакторов в каплях.(D) Generator of coding microreactors in droplets.

Схемы чипа для генерации капель/микрореакторов вода-в-масле (WIO) для штрихкодирования полинуклеотидов BP хорошо разработаны в различных коммерческих приборах для mSCS. Вкратце, поток водной среды, содержащий кодирующие микросферы, анализируемые BP и все необходимые реагенты, встречает два потока масла (гидрофобной среды), подаваемых со стороны в месте соединения, с последующим локальным сужением канала (Фиг. 4А-С и Фиг. 5D), где образуются капли воды в масле.Chip circuits for water-in-oil droplet / microreactor generation (WIO) for barcoding BP polynucleotides are well developed in various commercial mSCS instruments. Briefly, an aqueous stream containing the coding microspheres analyzed by BP and all necessary reagents encounters two streams of oil (hydrophobic medium) supplied from the side at the junction, followed by a local narrowing of the channel (Figs. 4A-C and Fig. 5D), where water droplets in oil form.

Каждая капля должна содержать не более одной BP, потому что все полинуклеотиды в капле будут иметь одинаковый штрих-специфичный штрихкод, и полинуклеотиды из нескольких BP в одной капле не будут различаться после секвенирования. Капля без BP не вызывает никаких проблем, кроме потери эффективности. В результате, в обычно используемых чипах соотношение капель к BP поддерживается на высоком уровне, чтобы статистически уменьшить количество дублетов и мультиплетов BP на каплю. И, напротив, в предпочтительном варианте с использованием сортировщика/аккумулятора можно подавать BP в генератор капель более контролируемым образом, значительно уменьшая количество потерянных капель и IDBC. Этот уровень управления потоком достижим, потому что возбуждение среды лазерными импульсами или EOF имеет очень низкое время отклика на сигналы от проточного детектора LIF/LS, определяемое шириной импульсов или емкостью электродов, соответственно.Each drop should contain no more than one BP, because all polynucleotides in a drop will have the same barcode specific, and polynucleotides from multiple BPs in one drop will not be distinguished after sequencing. A drop without BP does not cause any problems other than loss of effectiveness. As a result, in commonly used chips, the ratio of drops to BP is kept high to statistically reduce the number of BP doublets and multiplets per drop. Conversely, in the preferred embodiment, using a sorter / accumulator, BP can be fed into the drip generator in a more controlled manner, significantly reducing lost drips and IDBC. This level of flow control is achievable because the excitation of the medium by laser pulses or EOF has a very low response time to signals from the LIF / LS flow detector, determined by the pulse width or the capacitance of the electrodes, respectively.

Каждая капля должна также содержать один IDBC. В капле без такой микросферы штрихкодирование невозможно, и информация о секвенировании BP будет потеряна. Если капля содержит несколько IDBC, то к полинуклеотидам из одного и той же BP будут применены разные штрихкоды, что вызовет проблемы с обработкой данных секвенирования при использовании традиционных чипов. Напротив, в предпочтительном варианте осуществления синхронизация и исправление ошибок (см. ниже) могут идентифицировать микрочастицы, участвующие в таких событиях, и обработка данных секвенирования не пострадает.Each drop must also contain one IDBC. In a droplet without such a microsphere, barcoding is not possible and BP sequencing information will be lost. If a drop contains multiple IDBCs, different barcodes will be applied to polynucleotides from the same BP, which will cause problems with sequencing data processing when using traditional chips. In contrast, in a preferred embodiment, synchronization and error correction (see below) can identify the microparticles involved in such events and the processing of the sequencing data will not be affected.

Каждая капля также должна содержать реагенты для лизиса ВР, лигирования полинуклеотида с кодирующим олигонуклеотидом, амплификации и иногда - обратной транскрипции. Эти реагенты могут подаваться потоком (-ами) водной среды, внутри IDBC или мигрировать в капли из масляной (гидрофобной) среды.Each drop should also contain reagents for BP lysis, ligation of the polynucleotide to the coding oligonucleotide, amplification, and sometimes reverse transcription. These reagents can be delivered by the stream (s) of an aqueous medium, within the IDBC, or migrate into droplets from an oily (hydrophobic) medium.

Как и в существующем mSCS, после совместного инкапсулирования BP, IDBC и реагентов в капле, BP лизируется для высвобождения полинуклеотидов, РНК подвергается обратной транскрипции (если необходимо), и лигазы используются для добавления кодирующего олигонуклеотида из IDBC к полинуклеотиду ВР. В связи с этим полинуклеотиды BP теперь несут штрихкод. Амплификация, если необходимо, может проводиться в капле или после слияния капель и удаления масляной (гидрофобной) среды при подготовке к секвенированию.As with existing mSCS, after co-encapsulating BP, IDBC, and reagents in the drop, BP is lysed to release polynucleotides, RNA is reverse transcribed (if necessary), and ligases are used to add the coding oligonucleotide from IDBC to the BP polynucleotide. As a result, BP polynucleotides now carry a barcode. Amplification, if necessary, can be carried out in a drop or after droplet fusion and removal of the oily (hydrophobic) medium in preparation for sequencing.

(E) Вспомогательный проточный детектор для синхронизации и исправления ошибок.(E) Auxiliary flow detector for synchronization and error correction.

Упрощенный вторичный проточный детектор LIF/LS предназначен для анализа капель в исходящем потоке (Фиг. 3, Фиг. 4A-C, Фиг. 5), а именно для обнаружения и подсчета оптически меченых референсных микросфер. При использовании тех же принципов что и в LIF/LS-детекторе цитометра/сортировщика, этому детектору требуется один канал детекции светорассеяния и два канала обнаружения флуоресцентной (или SERS) метки, для обнаружения референсных микросфер, поэтому чувствительность может быть низкой. Скорость сбора данных должна соответствовать скорости генерации капель. Простейший анализ изображения также может быть полезным для этого детектора. В результате для этого компонента достаточно малобюджетных решений, таких как трехцветная веб-камера. Использование данных, полученных в этом блоке, описано ниже в разделе синхронизации и исправления ошибок.A simplified secondary flow detector LIF / LS is designed for the analysis of droplets in the outflow stream (Fig. 3, Fig. 4A-C, Fig. 5), namely for the detection and counting of optically labeled reference microspheres. Using the same principles as the cytometer / sorter LIF / LS detector, this detector requires one light scatter detection channel and two fluorescent (or SERS) tag detection channels to detect reference microspheres, so the sensitivity may be low. The acquisition rate should match the rate at which the droplets are generated. The simplest image analysis can also be useful for this detector. As a result, low-budget solutions are enough for this component, such as a three-color webcam. The use of the data obtained in this block is described below in the section on synchronization and error correction.

Синхронизация и исправление ошибок с использованием оптических и генных меток. Связывание базы данных кодирующих последовательностей из GIDBC с цитометрическими данными подвержено ошибкам и создает риск для анализа. Ошибки могут возникать из-за обработки микросфер (то есть GIDBC) в чипе, потому что микрозоны синтеза олигонуклеотидов могут не содержать ни одной микросферы, содержать несколько микросфер, или микросферы могут сорбироваться вне микрозоны синтеза. Ошибки также могут быть вызваны чипом сопряжения IDBC и ВР в капле, потому что соотношение одной BP к одному IDBC на каплю может быть скомпрометировано. Ошибки могут возникать в проточном цитометре, поскольку дублеты или мультиплеты частиц могут быть обнаружены как одно событие. В каждом из этих случаев эти ошибки будут проявляться в несоответствии индексов в базе данных кодирующих последовательностей и данных цитометрии (то есть данных фенотипа, связанных с каждой BP и отслеживаемых по последовательности BP внутри системы). Эти несоответствия должны быть обнаружены и исправлены. Авторы изобретения предлагают два независимых механизма коррекции: перед секвенированием и после секвенирования.Synchronization and error correction using optical and gene tags. Linking a database of coding sequences from GIDBC to cytometric data is error-prone and risky for analysis. Errors can occur due to the processing of microspheres (i.e., GIDBC) in the chip, because oligonucleotide synthesis microzones may not contain any microspheres, contain several microspheres, or microspheres can be sorbed outside the synthesis microzone. Errors can also be caused by the IDBC and BP interface chip in the drop, because the ratio of one BP to one IDBC per drop can be compromised. Errors can occur in a flow cytometer because doublets or multiplets of particles can be detected as one event. In each of these cases, these errors will manifest as a mismatch between the indexes in the database of coding sequences and cytometry data (that is, phenotype data associated with each BP and tracked by BP sequence within the system). These inconsistencies must be found and corrected. The inventors propose two independent correction mechanisms: pre-sequencing and post-sequencing.

Для способа после секвенирования, частицы (например, референсные частицы, липосомы), содержащие известные полинуклеотидные метки и оптические метки, могут быть добавлены к анализируемым ВР. Любое несоответствие между ожидаемой последовательностью референсных частиц в потоке ВР (на основе данных FC и изображения аккумулятора BP) и последовательностью помеченных частиц (IDBC) может быть обнаружено после секвенирования. Затем можно применить соответствующую коррекцию.For the method after sequencing, particles (eg, reference particles, liposomes) containing known polynucleotide labels and optical labels can be added to the analyzed BP. Any discrepancy between the expected sequence of reference particles in the BP stream (based on FC data and BP accumulator image) and the sequence of tagged particles (IDBC) can be detected after sequencing. Then you can apply the appropriate correction.

Для способа пред секвенирования оптически помеченные референсные частицы могут быть добавлены в IDBC (один цвет) и в BP (другой цвет), и проанализированы с помощью вторичного датчика потока (Фиг. 3-5), контролирующего несоответствия. Для IDBC он будет измерять расстояние (количество немеченных IDBC) между отмеченными (референсными), и сравнивать это расстояние с исходным референсным эталонным изображением GIDBC. Для BP он будет измерять, соответствует ли количество обнаруженных и отсортированных для кодирования кодирующих BP (на основе проточного детектора и анализа изображения аккумулятора ВР) количеству ВР между референсными частицами. Применяемые параллельно, эти методы обеспечивают надежное исправление ошибок.For the pre-sequencing method, optically labeled reference particles can be added to the IDBC (one color) and BP (another color), and analyzed with a secondary flow sensor (FIGS. 3-5) monitoring the inconsistencies. For IDBC, it will measure the distance (number of unlabeled IDBCs) between the marked (reference) ones, and compare this distance with the original GIDBC reference reference image. For BP, it will measure whether the number of detected and sorted for encoding coding BPs (based on the flow detector and BP battery image analysis) matches the number of BPs between the reference particles. Applied in parallel, these techniques provide reliable error correction.

Альтернативные варианты осуществления:Alternative options for implementation:

В альтернативных вариантах осуществления используются другие идентифицируемые ядра. Например, когда массив частиц или микрозон на чипе используется в качестве идентифицируемого ядра, где идентичность конкретного микрозоны определяется координатами микрозоны, это изобретение может использоваться с чипами, способными ограничивать и локализовывать реакцию биологических частиц ВР с микрозонами поверхности, содержащими кодирующие олигонуклеотиды. Такие микрозоны включают, но не ограничиваются, микролунками на поверхности чипа, которые ограничивают отдельные ВР, или гелевыми барьерами, вводимыми оптически, электромагнитно или механически. В этом подходе анализ изображений используется для доступа к фенотипам ВР вместо проточных методов.In alternative embodiments, other identifiable cores are used. For example, when an array of particles or microzones on a chip is used as an identifiable nucleus, where the identity of a particular microzone is determined by the coordinates of the microzone, the invention can be used with chips capable of limiting and localizing the reaction of biological BP particles with surface microzones containing coding oligonucleotides. Such microzones include, but are not limited to, microwells on the surface of the chip that delimit individual VRs, or gel barriers introduced optically, electromagnetically, or mechanically. In this approach, image analysis is used to access VR phenotypes instead of flow-through methods.

Когда IDBC со встроенными уникальными идентификационными метками, которые могут быть идентифицированы в потоке (например, RFID или оптические метки, как описано выше), используются в качестве идентифицируемых ядер, олигонуклеотиды могут быть выращены с использованием всех упомянутых методов, но синтез с отслеживаемым смешиванием является наиболее подходящим (как описано выше, см. Фиг. 2D). Раствор (Суспензия) этих IDBC вместе с соответствующим проточным детектором идентификатора может быть использована в предпочтительном варианте конструкции прибора вместо GIDBC на основе чипа, что устраняет необходимость многоэтапного выращивания олигонуклеотида для каждой загрузки частиц GIDBC.When IDBCs with embedded unique identification tags that can be identified in the stream (e.g. RFID or optical tags, as described above) are used as identifiable nuclei, oligonucleotides can be grown using all of the methods mentioned, but traceable mixing synthesis is most suitable (as described above, see Fig. 2D). A solution (Suspension) of these IDBCs, together with an appropriate flow-through identifier detector, can be used in a preferred instrument design instead of a chip-based GIDBC, eliminating the need for multistep oligonucleotide growth for each GIDBC particle load.

Настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые предпочтительные и альтернативные варианты осуществления, которые предназначены только для примера и не ограничивают полный объем настоящего изобретения. Хотя элементы предлагаемого устройства являются синергетическими, некоторые из них могут быть устранены без полной потери функциональности. Например, сортировка клеток на основе проточной цитометрии может быть устранена за счет более высокого потребления IDBC и загрузки секвенсора. Проточная цитометрия может быть устранена и заменена анализом изображения аккумулятора биологических частиц (как описано выше). Даже проточный цитометр, генератор капель и основанные на частицах IDBC можно исключить, если совместить GIDBC и аккумулятор биологических частиц, а массив IDBC напечатать непосредственно на поверхности чипа.The present invention has been described with reference to some preferred and alternative embodiments, which are intended by way of example only and do not limit the full scope of the present invention. Although the elements of the proposed device are synergistic, some of them can be eliminated without completely losing functionality. For example, flow cytometry-based cell sorting can be eliminated with higher IDBC consumption and sequencer loading. Flow cytometry can be eliminated and replaced by image analysis of the biological particle accumulator (as described above). Even a flow cytometer, droplet generator, and particle-based IDBCs can be eliminated by combining the GIDBC and a biological particle accumulator and printing the IDBC array directly onto the surface of the chip.

В предпочтительных или альтернативных вариантах осуществления нет необходимости выращивать кодирующие олигонуклеотиды на идентифицируемых ядрах перед каждым использованием системы. Вместо этого IDBC могут быть приготовлены заранее или даже поставлены в виде одноразового картриджа для анализа при использовании (i) заранее загруженного IDBC одноразового чипа-GIDBC; (ii) чипа с массивом микрозон поверхности, содержащих кодирующие олигонуклеотиды; или (iii) суспензии IDBC с идентифицируемыми в потоке ядрами, с соответствующей базой данных, связывающей идентификатор ядра (серийный номер, положение или RFID/оптические метки) каждого элемента IDBC с последовательностью его кодирующих олигонуклеотидов, как описано выше.In preferred or alternative embodiments, it is not necessary to grow the coding oligonucleotides on identifiable nuclei prior to each use of the system. Instead, IDBCs can be prepared in advance or even supplied as a disposable assay cartridge using (i) a preloaded IDBC disposable GIDBC chip; (ii) a chip with an array of surface microzones containing coding oligonucleotides; or (iii) suspensions of IDBCs with identifiable cores in the stream, with an appropriate database linking the core identifier (serial number, position, or RFID / optical tags) of each IDBC element with the sequence of its coding oligonucleotides, as described above.

ИсточникиSources of

1. Kimmerling, R.J., et al., A microfluidic platform enabling single-cell RNA-seq of multigenerational lineages. Nat Commun, 2016. 7: p. 10220.1. Kimmerling, R. J., et al., A microfluidic platform enabling single-cell RNA-seq of multigenerational lineages. Nat Commun, 2016.7: p. 10220.

2. Andreyev, D., Development of models and analytical approaches for individual mitochondria, in Chemistry. 2007 University of Minnesota: Minneapolis, MN. p. 208.2. Andreyev, D., Development of models and analytical approaches for individual mitochondria, in Chemistry. 2007 University of Minnesota: Minneapolis, MN. p. 208.

3. Andreyev, D.S. and E.A. Arriaga, Fabrication of perforated sub-micron silica shells. Scr Mater, 2007. 57(10): p. 957-959.3. Andreyev, D.S. and E.A. Arriaga, Fabrication of perforated sub-micron silica shells. Scr Mater, 2007.57 (10): p. 957-959.

4. Lan, F., et al., Single-cell genome sequencing at ultra-high-throughput with microfluidic droplet barcoding. Nat Biotechnol, 2017. 35(7): p. 640-646.4. Lan, F., et al., Single-cell genome sequencing at ultra-high-throughput with microfluidic droplet barcoding. Nat Biotechnol, 2017.35 (7): p. 640-646.

5. Zheng, G.X., et al., Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells. Nat Commun, 2017. 8: p. 14049.5. Zheng, G.X., et al., Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells. Nat Commun, 2017.8: p. 14049.

6. Jaitin, D.A., et al., Massively parallel single-cell RNA-seq for marker-free decomposition of tissues into cell types. Science, 2014. 343(6172): p. 776-9.6. Jaitin, D.A., et al., Massively parallel single-cell RNA-seq for marker-free decomposition of tissues into cell types. Science, 2014.343 (6172): p. 776-9.

7. Stoeckius, M., et al., Simultaneous epitope and transcriptome measurement in single cells. Nat Methods, 2017. 14(9): p. 865-868.7. Stoeckius, M., et al., Simultaneous epitope and transcriptome measurement in single cells. Nat Methods, 2017.14 (9): p. 865-868.

8. Bongso, A., C.Y. Fong, and K. Gauthaman, Taking stem cells to the clinic: Major challenges. J Cell Biochem, 2008. 105(6): p. 1352-60.8. Bongso, A., C.Y. Fong, and K. Gauthaman, Taking stem cells to the clinic: Major challenges. J Cell Biochem, 2008.105 (6): p. 1352-60.

9. Saini, N., et al., The Impact of Environmental and Endogenous Damage on Somatic Mutation Load in Human Skin Fibroblasts. PLoS Genet, 2016. 12(10): p. e1006385.9. Saini, N., et al., The Impact of Environmental and Endogenous Damage on Somatic Mutation Load in Human Skin Fibroblasts. PLoS Genet, 2016.12 (10): p. e1006385.

10. Herberts, C.A., M.S. Kwa, and H.P. Hermsen, Risk factors in the development of stem cell therapy. J Transl Med, 2011. 9: p. 29.10. Herberts, C.A., M.S. Kwa, and H.P. Hermsen, Risk factors in the development of stem cell therapy. J Transl Med, 2011.9: p. 29.

11. Serakinci, N., U. Fahrioglu, and R. Christensen, Mesenchymal stem cells, cancer challenges and new directions. Eur J Cancer, 2014. 50(8): p. 1522-30.11. Serakinci, N., U. Fahrioglu, and R. Christensen, Mesenchymal stem cells, cancer challenges and new directions. Eur J Cancer, 2014.50 (8): p. 1522-30.

12. Hong, I.S., H.Y. Lee, and K.S. Kang, Mesenchymal stem cells and cancer: friends or enemies? Mutat Res, 2014. 768: p. 98-106.12. Hong, I.S., H.Y. Lee, and K.S. Kang, Mesenchymal stem cells and cancer: friends or enemies? Mutat Res, 2014.768: p. 98-106.

13. Glinsky, G.V., Activation of endogenous human stem cell-associated retroviruses (SCARs) and therapy-resistant phenotypes of malignant tumors. Cancer Lett, 2016. 376(2): p. 347-59.13. Glinsky, G. V., Activation of endogenous human stem cell-associated retroviruses (SCARs) and therapy-resistant phenotypes of malignant tumors. Cancer Lett, 2016.376 (2): p. 347-59.

14. Porta, C., E. Riboldi, and A. Sica, Mechanisms linking pathogens-associated inflammation and cancer. Cancer Lett, 2011. 305(2): p. 250-62.14. Porta, C., E. Riboldi, and A. Sica, Mechanisms linking pathogens-associated inflammation and cancer. Cancer Lett, 2011.305 (2): p. 250-62.

15. Rom, J.S., et al., Impact of Staphylococcus aureus regulatory mutations that modulate biofilm formation in the USA300 strain LAC on virulence in a murine bacteremia model. Virulence, 2017. 8(8): p. 1776-1790.15. Rom, J.S., et al., Impact of Staphylococcus aureus regulatory mutations that modulate biofilm formation in the USA300 strain LAC on virulence in a murine bacteremia model. Virulence, 2017.8 (8): p. 1776-1790.

16. Leites, E.P. and V.A. Morais, Mitochondrial quality control pathways: PINK1 acts as a gatekeeper. Biochem Biophys Res Commun, 2017.16. Leites, E.P. and V.A. Morais, Mitochondrial quality control pathways: PINK1 acts as a gatekeeper. Biochem Biophys Res Commun, 2017.

17. Grosso, R., C.M. Fader, and M.I. Colombo, Autophagy: A necessary event during erythropoiesis. Blood Rev, 2017. 31(5): p. 300-305.17. Grosso, R., C.M. Fader, and M.I. Colombo, Autophagy: A necessary event during erythropoiesis. Blood Rev, 2017.31 (5): p. 300-305.

18. Neill, T., L. Schaefer, and R.V. Iozzo, Oncosuppressive functions of decorin. Mol Cell Oncol, 2015. 2(3): p. e975645.18. Neill, T., L. Schaefer, and R.V. Iozzo, Oncosuppressive functions of decorin. Mol Cell Oncol, 2015.2 (3): p. e975645.

19. Salgado, J., B. Honorato, and J. García-Foncillas, Review: mitochondrial defects in breast cancer. Clin Med Oncol, 2008. 2: p. 199-207.19. Salgado, J., B. Honorato, and J. Garcia-Foncillas, Review: mitochondrial defects in breast cancer. Clin Med Oncol, 2008.2: p. 199-207.

20. Stefano, G.B. and R.M. Kream, Mitochondrial DNA heteroplasmy in human health and disease. Biomed Rep, 2016. 4(3): p. 259-262.20. Stefano, G.B. and R.M. Kream, Mitochondrial DNA heteroplasmy in human health and disease. Biomed Rep, 2016.4 (3): p. 259-262.

21. Chatterjee, A., E. Mambo, and D. Sidransky, Mitochondrial DNA mutations in human cancer. Oncogene, 2006. 25(34): p. 4663-74.21. Chatterjee, A., E. Mambo, and D. Sidransky, Mitochondrial DNA mutations in human cancer. Oncogene, 2006.25 (34): p. 4663-74.

22. He, Y., et al., Heteroplasmic mitochondrial DNA mutations in normal and tumour cells. Nature, 2010. 464(7288): p. 610-4.22. He, Y., et al., Heteroplasmic mitochondrial DNA mutations in normal and tumor cells. Nature, 2010.464 (7288): p. 610-4.

23. Parr, R.L., et al., Mitochondrial DNA as a potential tool for early cancer detection. Hum Genomics, 2006. 2(4): p. 252-7.23. Parr, R.L., et al., Mitochondrial DNA as a potential tool for early cancer detection. Hum Genomics, 2006.2 (4): p. 252-7.

24. Sukhanova, A. and I. Nabiev, Fluorescent nanocrystal-encoded microbeads for multiplexed cancer imaging and diagnosis. Crit Rev Oncol Hematol, 2008. 68(1): p. 39-59.24. Sukhanova, A. and I. Nabiev, Fluorescent nanocrystal-encoded microbeads for multiplexed cancer imaging and diagnosis. Crit Rev Oncol Hematol, 2008.68 (1): p. 39-59.

25. Hintersteiner, M., et al., Single bead labeling method for combining confocal fluorescence on-bead screening and solution validation of tagged one-bead one-compound libraries. Chem Biol, 2009. 16(7): p. 724-35.25. Hintersteiner, M., et al., Single bead labeling method for combining confocal fluorescence on-bead screening and solution validation of tagged one-bead one-compound libraries. Chem Biol, 2009.16 (7): p. 724-35.

26. Sha, M.Y., et al., Surface-enhanced Raman scattering tags for rapid and homogeneous detection of circulating tumor cells in the presence of human whole blood. J Am Chem Soc, 2008. 130(51): p. 17214-5.26. Sha, M.Y., et al., Surface-enhanced Raman scattering tags for rapid and homogeneous detection of circulating tumor cells in the presence of human whole blood. J Am Chem Soc, 2008.130 (51): p. 17214-5.

27. Wood, D.K., et al., A feasible approach to all-electronic digital labeling and readout for cell identification. Lab Chip, 2007. 7(4): p. 469-74.27. Wood, D.K., et al., A feasible approach to all-electronic digital labeling and readout for cell identification. Lab Chip, 2007.7 (4): p. 469-74.

28. Nuwaysir, E.F., et al., Gene expression analysis using oligonucleotide arrays produced by maskless photolithography. Genome Res, 2002. 12(11): p. 1749-55.28. Nuwaysir, E.F., et al., Gene expression analysis using oligonucleotide arrays produced by maskless photolithography. Genome Res, 2002.12 (11): p. 1749-55.

29. Zybailov, B., et al., Analysis of Protein-protein Interaction Interface between Yeast Mitochondrial Proteins Rim1 and Pif1 Using Chemical Cross-linking Mass Spectrometry. J Proteomics Bioinform, 2015. 8(11): p. 243-252.29. Zybailov, B., et al., Analysis of Protein-protein Interaction Interface between Yeast Mitochondrial Proteins Rim1 and Pif1 Using Chemical Cross-linking Mass Spectrometry. J Proteomics Bioinform, 2015.8 (11): p. 243-252.

30. Zybailov, B., Q. Sun, and K. van Wijk, Workflow for large scale detection and validation of peptide modifications by RPLC-LTQ-Orbitrap: application to the Arabidopsis thaliana leaf proteome and an online modified peptide library. Anal Chem, 2009. 81(19): p. 8015-24.30. Zybailov, B., Q. Sun, and K. van Wijk, Workflow for large scale detection and validation of peptide modifications by RPLC-LTQ-Orbitrap: application to the Arabidopsis thaliana leaf proteome and an online modified peptide library. Anal Chem, 2009.81 (19): p. 8015-24.

31. Zybailov, B., et al., Correlation of relative abundance ratios derived from peptide ion chromatograms and spectrum counting for quantitative proteomic analysis using stable isotope labeling. Anal Chem, 2005. 77(19): p. 6218-24.31. Zybailov, B., et al., Correlation of relative abundance ratios derived from peptide ion chromatograms and spectrum counting for quantitative proteomic analysis using stable isotope labeling. Anal Chem, 2005.77 (19): p. 6218-24.

32. Zybailov, B., et al., Recruitment of a foreign quinone into the A(1) site of photosystem I. II. Structural and functional characterization of phylloquinone biosynthetic pathway mutants by electron paramagnetic resonance and electron-nuclear double resonance spectroscopy. J Biol Chem, 2000. 275(12): p. 8531-9.32. Zybailov, B., et al., Recruitment of a foreign quinone into the A (1) site of photosystem I. II. Structural and functional characterization of phylloquinone biosynthetic pathway mutants by electron paramagnetic resonance and electron-nuclear double resonance spectroscopy. J Biol Chem, 2000.275 (12): p. 8531-9.

33. Shinkarev, V., et al., Modeling of the P700+ charge recombination kinetics with phylloquinone and plastoquinone-9 in the A1 site of photosystem I. Biophys J, 2002. 83(6): p. 2885-97.33. Shinkarev, V., et al., Modeling of the P700 + charge recombination kinetics with phylloquinone and plastoquinone-9 in the A1 site of photosystem I. Biophys J, 2002. 83 (6): p. 2885-97.

34. Semenov, A., et al., Recruitment of a foreign quinone into the A1 site of photosystem I. Altered kinetics of electron transfer in phylloquinone biosynthetic pathway mutants studied by time-resolved optical, EPR, and electrometric techniques. J Biol Chem, 2000. 275(31): p. 23429-38.34. Semenov, A., et al., Recruitment of a foreign quinone into the A1 site of photosystem I. Altered kinetics of electron transfer in phylloquinone biosynthetic pathway mutants studied by time-resolved optical, EPR, and electrometric techniques. J Biol Chem, 2000.275 (31): p. 23429-38.

35. Johnson, R.D., et al., Analysis of mitochondria isolated from single cells. Anal Bioanal Chem, 2007. 387(1): p. 107-18.35 Johnson, R.D., et al., Analysis of mitochondria isolated from single cells. Anal Bioanal Chem, 2007.387 (1): p. 107-18.

36. Andreyev, D. and E.A. Arriaga, Simultaneous laser-induced fluorescence and scattering detection of individual particles separated by capillary electrophoresis. Anal Chem, 2007. 79(14): p. 5474-8.36. Andreyev, D. and E.A. Arriaga, Simultaneous laser-induced fluorescence and scattering detection of individual particles separated by capillary electrophoresis. Anal Chem, 2007.79 (14): p. 5474-8.

37. Ahmadzadeh, H., et al., Capillary electrophoresis reveals changes in individual mitochondrial particles associated with skeletal muscle fiber type and age. J Gerontol A Biol Sci Med Sci, 2006. 61(12): p. 1211-8.37. Ahmadzadeh, H., et al., Capillary electrophoresis reveals changes in individual mitochondrial particles associated with skeletal muscle fiber type and age. J Gerontol A Biol Sci Med Sci, 2006.61 (12): p. 1211-8.

38. Shalgunov, V., et al., Comprehensive study of the drug delivery properties of poly(l-lactide)-poly(ethylene glycol) nanoparticles in rats and tumor-bearing mice. J Control Release, 2017. 261: p. 31-42.38. Shalgunov, V., et al., Comprehensive study of the drug delivery properties of poly (l-lactide) -poly (ethylene glycol) nanoparticles in rats and tumor-bearing mice. J Control Release, 2017.261: p. 31-42.

39. Shields, C.W., C.D. Reyes, and G.P. López, Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip, 2015. 15(5): p. 1230-49.39. Shields, C.W., C.D. Reyes, and G.P. López, Microfluidic cell sorting: a review of the advances in the separation of cells from debulking to rare cell isolation. Lab Chip, 2015.15 (5): p. 1230-49.

40. Chen, Y., et al., 3D pulsed laser-triggered high-speed microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Analyst, 2013. 138(24): p. 7308-15.40. Chen, Y., et al., 3D pulsed laser-triggered high-speed microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Analyst, 2013.138 (24): p. 7308-15.

41. Dijkink, R. and C.D. Ohl, Laser-induced cavitation based micropump. Lab Chip, 2008. 8(10): p. 1676-81.41. Dijkink, R. and C.D. Ohl, Laser-induced cavitation based micropump. Lab Chip, 2008.8 (10): p. 1676-81.

42. Wu, T.H., et al., Pulsed laser triggered high speed microfluidic fluorescence activated cell sorter. Lab Chip, 2012. 12(7): p. 1378-83.42. Wu, T.H., et al., Pulsed laser triggered high speed microfluidic fluorescence activated cell sorter. Lab Chip 2012.12 (7): p. 1378-83.

43. Gijs, M.A.M., Magnetic bead handling on-chip: new opportunities for analytical applications. Microfluid Nanofluid, 2004. 1: p. 22-40.43. Gijs, M.A.M., Magnetic bead handling on-chip: new opportunities for analytical applications. Microfluid Nanofluid, 2004.1: p. 22-40.

44. Rosenthal, A. and J. Voldman, Dielectrophoretic traps for single-particle patterning. Biophys J, 2005. 88(3): p. 2193-205.44. Rosenthal, A. and J. Voldman, Dielectrophoretic traps for single-particle patterning. Biophys J, 2005. 88 (3): p. 2193-205.

45. Qiao, W., G. Cho, and Y.H. Lo, Wirelessly powered microfluidic dielectrophoresis devices using printable RF circuits. Lab Chip, 2011. 11(6): p. 1074-80.45. Qiao, W., G. Cho, and Y.H. Lo, Wirelessly powered microfluidic dielectrophoresis devices using printable RF circuits. Lab Chip, 2011.11 (6): p. 1074-80.

46. Noda, H., et al., Automated bead alignment apparatus using a single bead capturing technique for fabrication of a miniaturized bead-based DNA probe array. Anal Chem, 2003. 75(13): p. 3250-5.46. Noda, H., et al., Automated bead alignment apparatus using a single bead capturing technique for fabrication of a miniaturized bead-based DNA probe array. Anal Chem, 2003.75 (13): p. 3250-5.

47. Yeo, J.C., Z. Wang, and C.T. Lim, Microfluidic size separation of cells and particles using a swinging bucket centrifuge. Biomicrofluidics, 2015. 9(5): p. 054114.47. Yeo, J.C., Z. Wang, and C.T. Lim, Microfluidic size separation of cells and particles using a swinging bucket centrifuge. Biomicrofluidics, 2015.9 (5): p. 054114.

48. Friend, J. and L. Yeo, Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics, 2010. 4(2).48. Friend, J. and L. Yeo, Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane. Biomicrofluidics, 2010.4 (2).

49. Eddings, M.A., M.A. Johnson, and B.K. Gale, Determining the optimal PDMS–PDMS bonding technique for microfluidic devices. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008. 18(6): p. 067001.49. Eddings, M.A., M.A. Johnson, and B.K. Gale, Determining the optimal PDMS – PDMS bonding technique for microfluidic devices. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008.18 (6): p. 067001.

50. Estevez, M.-C., M. Alvarez, and L.M. Lechuga Integrated optical devices for lab-on-a-chip biosensing applications. Laser Photonics Rev, 2012. 6(4): p. 463-487.50. Estevez, M.-C., M. Alvarez, and L.M. Lechuga Integrated optical devices for lab-on-a-chip biosensing applications. Laser Photonics Rev, 2012.6 (4): p. 463-487.

51. Sinn, I., et al., Asynchronous magnetic bead rotation (AMBR) biosensor in microfluidic droplets for rapid bacterial growth and susceptibility measurements. Lab Chip, 2011. 11(15): p. 2604-11.51. Sinn, I., et al., Asynchronous magnetic bead rotation (AMBR) biosensor in microfluidic droplets for rapid bacterial growth and susceptibility measurements. Lab Chip, 2011.11 (15): p. 2604-11.

52. van Pelt, S., et al., Flow-orthogonal bead oscillation in a microfluidic chip with a magnetic anisotropic flux-guide array. Biomed Microdevices, 2011. 13(2): p. 353-9.52. van Pelt, S., et al., Flow-orthogonal bead oscillation in a microfluidic chip with a magnetic anisotropic flux-guide array. Biomed Microdevices, 2011.13 (2): p. 353-9.

53. Iranmanesh, I., et al., Acoustic micro-vortexing of fluids, particles and cells in disposable microfluidic chips. Biomed Microdevices, 2016. 18(4): p. 71.53. Iranmanesh, I., et al., Acoustic micro-vortexing of fluids, particles and cells in disposable microfluidic chips. Biomed Microdevices, 2016.18 (4): p. 71.

54. Zwaan, E., et al., Controlled cavitation in microfluidic systems. Phys Rev Lett, 2007. 98(25): p. 254501.54. Zwaan, E., et al., Controlled cavitation in microfluidic systems. Phys Rev Lett, 2007. 98 (25): p. 254501.

55. Deyholos, M.K. and D.W. Galbraith, High-density microarrays for gene expression analysis. Cytometry, 2001. 43(4).55. Deyholos, M.K. and D.W. Galbraith, High density microarrays for gene expression analysis. Cytometry, 2001.43 (4).

56. Ong, S.G., et al., Evaluation of Extrusion Technique for Nanosizing Liposomes. Pharmaceutics, 2016. 8(4).56. Ong, S. G., et al., Evaluation of Extrusion Technique for Nanosizing Liposomes. Pharmaceutics, 2016.8 (4).

57. Wolken, G.G. and E.A. Arriaga, Simultaneous measurement of individual mitochondrial membrane potential and electrophoretic mobility by capillary electrophoresis. Anal Chem, 2014. 86(9): p. 4217-26.57. Wolken, G.G. and E.A. Arriaga, Simultaneous measurement of individual mitochondrial membrane potential and electrophoretic mobility by capillary electrophoresis. Anal Chem, 2014.86 (9): p. 4217-26.

58. Cottet-Rousselle, C., et al., Cytometric assessment of mitochondria using fluorescent probes. Cytometry A, 2011. 79(6): p. 405-25.58. Cottet-Rousselle, C., et al., Cytometric assessment of mitochondria using fluorescent probes. Cytometry A, 2011.79 (6): p. 405-25.

Claims (27)

1. Система для анализа фенотипа и последовательности полинуклеотидов биологической частицы, которая содержит:1. A system for analyzing the phenotype and sequence of polynucleotides of a biological particle, which contains: - анализатор фенотипа, где указанный анализатор фенотипа предназначен для определения фенотипа указанной биологической частицы;- a phenotype analyzer, where the specified phenotype analyzer is designed to determine the phenotype of the specified biological particle; - генератор идентифицируемого олигонуклеотидного кодирующего носителя, где кодирующий олигонуклеотид с заранее известной последовательностью прикреплен к указанному носителю, используется индивидуальный носитель для каждой биологической частицы и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой биологической частицы;- generator of identifiable oligonucleotide coding carrier, where the coding oligonucleotide with a predetermined sequence is attached to the specified carrier, an individual carrier is used for each biological particle and a unique and predetermined barcode is applied for each polynucleotide of each biological particle; - микрореактор, выполненный с возможностью приема указанной биологической частицы из указанного анализатора фенотипа и приема указанного носителя кодирующих олигонуклеотидов из указанного генератора; - a microreactor configured to receive said biological particle from said phenotype analyzer and receive said carrier of coding oligonucleotides from said generator; - секвенатор указанной предварительно определенной последовательности указанного кодирующего олигонукеголеотида и указанной последовательности полинуклеотидов указанной биологической частицы после того, как указанный кодирующий олигонуклеотид лигируют с указанными полинуклеотидами указанной биологической частицы.- a sequencer of said predetermined sequence of said coding oligonucleotide and said sequence of polynucleotides of said biological particle after said coding oligonucleotide is ligated with said polynucleotides of said biological particle. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что анализатор фенотипа представляет собой проточный цитометр.2. The system of claim 1, wherein the phenotype analyzer is a flow cytometer. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что анализатор фенотипа представляет собой микроскоп.3. The system of claim. 1, characterized in that the phenotype analyzer is a microscope. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что носитель представляет собой магнитную частицу.4. The system of claim. 1, characterized in that the carrier is a magnetic particle. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что носитель представляет собой микроячейку на поверхности чипа.5. The system of claim. 1, characterized in that the carrier is a microcell on the surface of the chip. 6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что содержит аккумулятор биологических частиц между указанным анализатором фенотипа и указанным микрореактором.6. The system according to claim 1, characterized in that it contains an accumulator of biological particles between said phenotype analyzer and said microreactor. 7. Способ анализа фенотипа и последовательности полинуклеотидов биологической частицы, включающий стадии:7. A method for analyzing the phenotype and sequence of polynucleotides of a biological particle, including the steps: - оптического анализа указанной биологической частицы для определения фенотипа указанной биологической частицы;- optical analysis of the specified biological particle to determine the phenotype of the specified biological particle; - записи указанного фенотипа указанной биологической частицы;- records of the specified phenotype of the specified biological particle; - генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов, где кодирующий олигонуклеотид предварительно определенной последовательности прикреплен к указанному носителю, используется индивидуальный носитель для каждой биологической частицы и применяется уникальный и предварительно определенный штрихкод для каждого полинуклеотида каждой биологической частицы;- generating a carrier of coding oligonucleotides, where the coding oligonucleotide of a predetermined sequence is attached to said carrier, an individual carrier is used for each biological particle, and a unique and predetermined barcode is applied for each polynucleotide of each biological particle; - помещения указанной биологической частицы и указанного носителя кодирующих олигонуклеотидов в микрореактор;- placing the specified biological particle and the specified carrier of coding oligonucleotides in a microreactor; - лизиса указанной биологической частицы для высвобождения указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы; - lysis of said biological particle to release said polynucleotides of said biological particle; - лигирования указанных кодирующих олигонуклеотидов с указанными полинуклеотидами указанной биологической частицы для образования генетического комплекса;- ligating said coding oligonucleotides with said polynucleotides of said biological particle to form a genetic complex; - секвенирования указанного генетического комплекса для определения указанной последовательности указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы;- sequencing the specified genetic complex to determine the specified sequence of the specified polynucleotides of the specified biological particle; - сопоставления указанного фенотипа указанной биологической частицы с указанной последовательностью указанных полинуклеотидов указанной биологической частицы.- comparing the specified phenotype of the specified biological particle with the specified sequence of the specified polynucleotides of the specified biological particle. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что указанная биологическая частица и указанный носитель кодирующих олигонуклеотидов инкапсулированы в капле в указанном микрореакторе. 8. The method according to claim 7, characterized in that said biological particle and said carrier of coding oligonucleotides are encapsulated in a drop in said microreactor. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что проточный цитометр выполняет этап оптического анализа указанной биологической частицы для определения фенотипа указанной биологической частицы.9. The method according to claim 7, wherein the flow cytometer performs the step of optical analysis of said biological particle to determine the phenotype of said biological particle. 10. Способ по п. 7, отличающийся тем, что указанная биологическая частица подается в аккумулятор биологических частиц до того, как указанная биологическая частица помещается в указанный микрореактор.10. The method according to claim 7, characterized in that said biological particle is supplied to a biological particle accumulator before said biological particle is placed in said microreactor. 11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что содержит этап анализа исходящего из указанного микрореактора на наличие ошибок.11. The method according to claim 7, characterized in that it contains the step of analyzing the output from said microreactor for errors. 12. Способ по п. 7, отличающийся тем, что указанная стадия генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов включает выращивание олигонуклеотида на частице.12. The method according to claim 7, wherein said step of generating the carrier of the coding oligonucleotides comprises growing the oligonucleotide on the particle. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что стадия выращивания олигонуклеотида на частице включает фотоактивацию.13. The method of claim 12, wherein the step of growing the oligonucleotide on the particle comprises photoactivation. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что включает стадию иммобилизации указанной частицы в ловушке на чипе.14. A method according to claim 12, characterized in that it comprises the step of immobilizing said particle in a trap on a chip. 15. Способ по п. 7, отличающийся тем, что стадия генерирования носителя кодирующих олигонуклеотидов включает выращивание олигонуклеотида на чипе.15. The method of claim 7, wherein the step of generating the carrier for the coding oligonucleotides comprises growing the oligonucleotide on a chip.
RU2020111673A 2017-09-22 2018-09-21 System and method for phenotype analysis and polynucleotide sequencing of biological particles using deterministic barcoding RU2756306C1 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762562115P 2017-09-22 2017-09-22
USUS62562115 2017-09-22
US201762577905P 2017-10-27 2017-10-27
USUS62577905 2017-10-27
PCT/US2018/052172 WO2019060685A1 (en) 2017-09-22 2018-09-21 System and method of phenotype and polynucleotide sequencing analyses for biological particles via deterministic barcoding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2756306C1 true RU2756306C1 (en) 2021-09-29

Family

ID=65809974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111673A RU2756306C1 (en) 2017-09-22 2018-09-21 System and method for phenotype analysis and polynucleotide sequencing of biological particles using deterministic barcoding

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2756306C1 (en)
WO (1) WO2019060685A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784192C1 (en) * 2022-06-17 2022-11-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" Method for manufacturing sets of nucleotide and/or other molecular sequences using microparticles bearing labels universally associated with manufactured sequences

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143004C1 (en) * 1993-09-27 1999-12-20 АРЧ Девелопмент Корпорейшн Method of determining nucleic acid sequence (versions) and kit for use in determination of nucleic acid sequence
US20100112558A1 (en) * 2008-11-03 2010-05-06 Xiaolian Gao Probe Bead Synthesis and Use
US20130323732A1 (en) * 2012-05-21 2013-12-05 Fluidigm Corporation Single-particle analysis of particle populations
US20160060621A1 (en) * 2014-06-24 2016-03-03 Bio-Rad Laboratories, Inc. Digital pcr barcoding
WO2016207441A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 European Molecular Biology Laboratory Cell barcoding in microfluidics

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6853667B2 (en) * 2014-04-21 2021-03-31 プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ Systems and methods for barcoding nucleic acids

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2143004C1 (en) * 1993-09-27 1999-12-20 АРЧ Девелопмент Корпорейшн Method of determining nucleic acid sequence (versions) and kit for use in determination of nucleic acid sequence
US20100112558A1 (en) * 2008-11-03 2010-05-06 Xiaolian Gao Probe Bead Synthesis and Use
US20130323732A1 (en) * 2012-05-21 2013-12-05 Fluidigm Corporation Single-particle analysis of particle populations
US20160060621A1 (en) * 2014-06-24 2016-03-03 Bio-Rad Laboratories, Inc. Digital pcr barcoding
WO2016207441A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 European Molecular Biology Laboratory Cell barcoding in microfluidics

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2784192C1 (en) * 2022-06-17 2022-11-23 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет" Method for manufacturing sets of nucleotide and/or other molecular sequences using microparticles bearing labels universally associated with manufactured sequences

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019060685A1 (en) 2019-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Murphy et al. Recent advances in the use of microfluidic technologies for single cell analysis
EP3445490B1 (en) High density deposition for array production
JP5241678B2 (en) Microfluidic particle analysis system
US10232371B2 (en) Microfluidic devices and methods for cell processing
EP3248018B1 (en) Devices and systems for molecular barcoding of nucleic acid targets in single cells
US10981167B2 (en) Massively parallel on-chip coalescence of microemulsions
JP6169111B2 (en) Methods, systems, and devices for capturing and processing multiple single cells using microfluidics
JP6965272B2 (en) High throughput particle capture and analysis
US10221443B2 (en) System and method for laser lysis
CA3047709C (en) Method for obtaining nucleic acid derived from fetal cell
CN111733056B (en) Micro-fluidic chip integrating circulating tumor cell separation and single-cell immunoblotting
CN110988373A (en) Methods, compositions and systems for microfluidic analysis
Ying et al. Microfluidic chip-based technologies: emerging platforms for cancer diagnosis
JP2002503334A (en) Microflow system for particle separation and analysis
Khan et al. Microfluidic Devices in the Fast‐Growing Domain of Single‐Cell Analysis
CN110713922A (en) Real-time monitoring of single cells or activities of single cells
CN101348763B (en) Apparatus for polynucleotide detection and quantitation
US20160320629A1 (en) Fluidic Super Resolution Optical Imaging Systems With Microlens Array
RU2756306C1 (en) System and method for phenotype analysis and polynucleotide sequencing of biological particles using deterministic barcoding
Lu et al. Automatic Microfluidic Cell Wash Platform for Purifying Cells in Suspension: Puriogen
US11060964B2 (en) Cell detection method
US20200009561A1 (en) Tools and methods for isolation and analysis of individual components from a biological sample
Park et al. High‐throughput on‐chip leukemia diagnosis
US20230174970A1 (en) Spatial multiomics and live biology with continuous imaging
Cao Microfluidic Engineering for Ultrasensitive Molecular Analysis of cells