Kỹ thuật vi lưu ứng dụng trong tách tế bào

Kỹ thuật vi lưu ứng dụng trong tách tế bào Vài năm trở lại đây, việc sử dụng kỹ thuật vi lưu để nhận biết các tác nhân sinh học đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những ưu thế mà kỹ thuật này mang lại như giảm việc tiêu thụ các tác nhân phản ứng do kích cỡ vi kênh và tăng độ nhạy nhờ vào việc tăng diện tích bề mặt và tăng sự chuyển đổi khối khi kích cỡ các kênh giảm xuống kích thước micro và nano mét. Thêm vào đó, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghê nano, công nghệ vi điện tử, việc tích hợp và chế tạo linh kiện vi hệ thống nói chung và các hệ vi lưu nói riêng trở nên dễ dàng hơn. Đây cũng là cơ sở để phát triển các phòng thí nghiệm trên chíp cho phép tích hợp các chức năng như lấy mẫu, bơm mẫu và phân tích, hiển thị kết quả. Các cảm biến trên cơ sở hệ vi lưu có khả năng phát hiện vi rút cúm A, tế bào ung thư,…. Việc sử dụng hệ vi lưu chắc chắn sẽ mở ra những hướng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nuôi cấy tế bào, lọc tách các thành phần sinh học, hóa học… Vi lưu (Microfluidics) là một lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS ) và liên quan đến việc kiểm soát dòng chảy của chất lỏng đo bằng micro, nano, hoặc thậm chí pico lít. Chất lưu có thể là chất lỏng hoặc khí trong Hình 1. Hình ảnh mô phỏng của một hệ vi lưu bao gồm các vi kênh được mã màu khác nhau (đại diện cho các chất lưu khác nhau), hệ thống điện cực để lấy tín hiệu (có thể là tín hiệu điện hoặc tín hiệu quang) tự nhiên, hoặc hỗn hợp cả hai, và chảy qua các vi kênh, vi bơm, vi van và vi lọc. Những thiết bị vi lưu có thể được chế tạo trên nền chất silics ứng dụng các kỹ thuật có sẵn của vi điện tử. Những thiết bị này cũng có thể được chế tạo từ vật liệu hữu cơ như từ nhựa hoặc polyme. Các thiết bị vi lỏng chỉ yêu cầu một lượng nhỏ mẫu và thuốc thử để thực hiện các phân tích đại diện cho một thể tích lớn. Ngoài ra, thời gian phản ứng nhanh chóng và dễ dàng tự động hóa làm cho các thiết bị vi lưu ngày càng phù hợp với các phân tích trong y sinh. Vi lưu (Microfluidics) đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển các hệ thống phân tích toàn diện, phòng thí nghiệm trên chip (lab-on-chip), trong y sinh, trong dược phẩm. Trong vòng 20 năm qua công nghệ vi lưu đã có những bước tiến nổi bật nhờ nỗ lực của các nhà nghiên cứu. Không xa nữa, chúng ta sẽ thấy một xu hướng phát triển theo đó các sản linh kiện vi lưu sẽ được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu, đáp ứng mọi nhu cầu trong phân tích lâm sang, dược và trong công nghệ sinh học. Một trong những ứng dụng hứa hẹn nhất của thiết bị vi lưu trong kỹ thuật y sinh học là thiết bị chẩn đoán. Giai đoạn chuẩn bị mẫu trong phân tích đóng vai trò rất quan trọng, các thiết bị vi lưu có thể được ứng dụng để phân lập các tế bào ra khỏi các hợp chất khác trong mẫu. Thông thường, các tế bào có thể được tách ra trong chất lưu huyền phù, dựa trên kích thước, mật độ điện tích, tính chất tán xạ ánh sáng, và các tính chất kháng nguyên bề mặt. Phương pháp truyền thống này đỏi hỏi các thiết bị đắt tiền bao gồm máy ly tâm, phân loại tế bào bằng kích thích huỳnh quang, điện di, sắc ký, thiết bị tách dùng ái lực và dung từ trường. Các giải pháp vi lưu có thể được được thiết để tích hợp vào các kỹ thuật nói trên, hoặc hoạt động như một thiết bị độc lập để thực hiện các nhiệm vụ chuẩn bị mẫu. Một ví dụ điển hình là thiết bị lọc vi lưu để phân loại tế bào di truyền giao tử đực (trong tinh trùng) để hỗ trợ quá trình IVF (kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm) và ICSI (kỹ thuật tiêm tinh trùng trong bào tương). Trong một ca có yếu tố vô sinh nam, tế bào sinh tinh khỏe mạnh sẽ được lấy ra từ viên sinh thiết sau đó được tiêm trực tiếp vào tế bào trứng. Sinh thiết dạng viên có chứa một loạt các mô và các tế bào phôi. Quá trình tìm ra các tế bào sống cho ICSI có thể tốn thời gian, đòi hỏi nhiều giờ làm việc liên quan đến việc thao tác thủ công trên viên sinh thiết, sau đó đi qua các chu kỳ tách bằng kỹ thuật ly tâm và cuối cùng là quá trình tách lọc các đơn tế bào. Các tế bào phôi nhỏ đi khi ở vào giai đoạn trưởng thành, bắt đầu như là một tế bào sinh tinh hình tròn với kích thước cỡ 16 ~ 18μm và kết thúc như một tinh trùng nhỏ với kích thước cỡ 4 ~ 6 μm. Lợi dụng đặc tính này, người ta có thể phân chia các tế bào sinh tinh thành các loại khác nhau theo giai đoạn trưởng thành dựa trên kích thước của chúng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Như được thể hiện trong hình 2, một thiết bị vi lưu lỏng là một thiết bị phẳng thụ động được chế tạo nhờ kỹ thuật DRIE (DRIE – là từ viết tắt của kỹ thuật ăn mòn khô sử dụng các phản ứng của ion khí với sự trợ giúp của plasma) có các vi giếng riêng biệt để thu thập các loại tế bào khác nhau. Kích thước các vi giếng được thiết kế giảm dần cho phép tách lọc các tế bào với kích thước khác nhau. Chất lưu được đưa tới vi hồ trung tâm nhờ các vi bơm hoặc sử dụng kỹ thuật áp điện. Hình 2: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của một thiết bị lọc vi lưu chưa Hình 3. Ảnh đồng tiêu của việc tách hỗn hợp vi cầu 3 μm (màu đỏ) và 10 hàn, nhìn từ phía lọc, hiển thị các kênh tuyến tính và bộ lọc phân đoạn tỏa ra vi hồ chứa trung tâm. μm (màu xanh) bằng thiết bị vi lưu. Trong thiết kế này, các vi kênh với kích thước khác nhau vừa được sử dụng như là bộ lọc vừa có chức năng tạo ra lực căng bề mặt để dịch chuyển mẫu đi qua các vùng lọc. Thông qua kiểm soát kỹ lưỡng tính chất của bề mặt tiếp xúc với chất lỏng, và bằng cách khai thác bản chất dòng tuyến tính của dòng vi lưu, bộ lọc sử dụng sức căng bề mặt của chất lỏng làm việc để đưa mẫu đi qua các địa điểm mong muốn. Việc tiểu hình hóa thiết bị cho phép sử dụng tác dụng, mà ở kích thước lớn nó ngăn chặn dòng chảy chất lưu, đưa mẫu đi qua phần tử lọc mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài. Ở các thử nghiệm với thiết bị trong hình 2, thiết bị cho thấy có khả năng lọc 1500 vi hạt ở thể tích 0.5 μl chất vi lưu với thời gian chưa đầy một giây. Hình 3 cho thấy kết quả của việc tách một hỗn hợp các vi cầu có kích thươc 3 μm và 10 μm, nơi mà phần lớn các hạt được thu thập trong vi hồ chứa tương ứng với kích thước của chúng. Nồng độ tối ưu của các hạt trong vi giếng gom phù hợp lần lượt là 50 % cho 3 μm và 84 % cho 10 μm hạt tương ứng. Tỷ lệ của các tế bào được xử lý được hiểu là một hàm của việc di chuyển chúng qua thiết bị lọc trong lòng chất lưu khối. Thiết bị này có lợi thế là hoàn toàn tương thích sinh học nhờ việc sử dụng các vật liệu như silic và thủy tinh, và nhờ vào khả năng chế tạo hàng loạt để hạ giá thành, chúng được dùng một lần nhằm loại trừ nhiễm bẩn mẫu. Ngoài ra, bản chất ưa nước của các oxit được dung trong các mao mạch của thiết bị hầu như vô hại đối với các tế bào và protein. Kỹ thuật bơm mao mạch tự cấp nguồn có thể được sử dụng để thao tác với các chất lưu, làm giảm độ phức tạp của hệ thống. Tiếp cận này có triển vọng làm tăng cường độ tin cậy và tính năng của thiết bị nhờ loại bỏ các bộ phận tháo lắp bên ngoài, và do đó giảm các hỏng hóc có thể do gia công cơ khí (các bộ phận bơm), hoặc, hỏng hóc có thể do nhiệt phát sinh từ quá trình bơm mẫu. Việc tích hợp các cấu trúc lọc vật lý trong một hệ thống vi lưu thụ động cho phép xử lý hiệu quả mà không làm nhiễm bẩn hoặc làm hỏng các mẫu. Quá trình này giảm đáng kể thời Hình 4. Một hệ vi lưu hoàn chỉnh gian xử lý và có tiềm năng lớn để tách tự động các tế bào hạt tự động một cách hiệu quả trong các ứng dụng về y sinh. q