1. 背景

細胞の異質性は広く蔓延しており、再生医療や臨床ケアにおける幹細胞療法のさらなる応用を制限しています。単一細胞の分離と収集技術は、異質性の問題を解決する上で重要な部分であり、非侵襲的で効率的かつハイスループットの単一細胞の分離と収集技術の探求は、科学者によってますます重視されてきました。

従来のフローセル選別技術では、蛍光標識の前処理が必要であり、時間がかかり、非効率的で、細胞機能に影響を与えます。液滴マイクロ流体などの一般的なマイクロ流体選別技術では、個々の細胞をラッピング後に液滴内に配置しますが、ポアソン分布によると、単一細胞の捕捉効率は高くなく、ラッピング後のマイクロ液滴の位置は固定されておらず、リアルタイムで観察することはできません。

中国科学技術大学（USTC）の研究開発チームは、リアルタイム細胞認識とマイクロ流体衝撃印刷を組み合わせた原理に基づいて単一細胞分離システムを設計し、ラベルフリー、高効率、リアルタイム認識、および単一細胞の高スループット分離を実現します。

2.研究内容

この単一細胞分離システムは、図 2 に示すように、信号制御モジュール、画像処理モジュール、印刷モジュールの 3 つの主要コンポーネントで構成されています。

圧力ポンプの作用により、細胞懸濁液がマイクロチャネルの入口から出口に輸送され、倒立顕微鏡を備えた千眼狼高速カメラがマイクロチャネルの中央の観察面に焦点を合わせ、毎秒2620フレームの速度で細胞のグレースケール画像をキャプチャし、画像のリアルタイム背景抽出、ガウスノイズ除去、しきい値セグメンテーションを行って2D細胞の位置を識別および最適化し、トリガー信号を信号制御モジュールに送信して圧電アクチュエータをトリガーします。次にトリガー信号が信号制御モジュールに送信され、圧電アクチュエータがトリガーされてプリントチャンバー上のフレキシブルフィルムに衝突し、認識された細胞を含む液滴がノズルから基板上に噴射されます。

マイクロ流体インパクトプリンティングでは、流体力学的応答の影響を受けて、液滴の吐出中に細胞が横方向や前方に移動する可能性があり、これが信頼性に影響します。そのため、図 4 および 5 に示すように、細胞吐出と印刷効率を決定する要因を調べるために、5 倍対物レンズ付きの高速ビデオカメラで細胞移動の過渡画像を撮影する必要があります。

3.研究の結論

10μmのポリスチレンマイクロビーズジェッティングを使用した一連の実験を通じて、リアルタイム細胞認識とマイクロ流体衝撃印刷を組み合わせた単一細胞分離システムは、最大15Hzの単一細胞液滴印刷スループットで、効率的かつ高スループットでラベルフリーの方法で単一細胞を分離できることが実証され、95%を超える印刷効率で細胞集団から異種単一細胞をワンステップで分離できます。細胞の流体力学的応答メカニズムの研究では、チャネル横断ゾーンの細胞の位置、圧電アクチュエータの駆動電圧、および液滴の体積が、高速カメラで観察される印刷効率に影響を与える重要な変数です。

4.業界の見通し

この技術は、新興生物組織の印刷、腫瘍の分類、薬物スクリーニング、化学結晶化、遺伝子分析など、多くの生化学分野への応用の幅広い可能性を秘めています。観察機器の高速カメラは、細胞運動の過渡的画像キャプチャの単一細胞分離段階と、流体力学応答メカニズム研究のマイクロ流体衝撃プロセスで重要な役割を果たします。