利用基于液滴的微流體技術進行DNA測序

    液滴生成技術使研究人員能夠使用最小樣本量進行大規模研究，這種方法可以使 DNA 測序更加高效和經濟。此外，它還可以幫助識別與癌癥診斷相關的單細胞內微小變異。本文討論了液滴生成在 DNA 分析中的應用，并展示了使用液滴微流體進行實驗所需的基本設置。

1 DNA分析的機遇和挑戰

    科學家對DNA進行分析，以識別癌癥突變、表征人類抗體及區分微生物等。DNA分析涉及多種技術，包括使用已知序列探針陣列或采用下一代測序（NGS）平臺對基因組進行測序[1]。

    NGS平臺利用芯片陣列實現大規模并行分析，可同時檢測數億個分子，從而降低成本并提高效率[1]。

    然而，傳統芯片陣列的分析能力受限，且需要額外的流體處理和試劑混合系統，增加了實驗流程復雜度并限制了總吞吐量。為了降低每個堿基的測序成本，通常需要并行處理多個樣本，而條形碼標記雖然可以部分緩解此問題，卻增加了實驗流程的時間[1]。

2 基于液滴的微流體技術

    微流控液滴技術是利用不可混溶的相（通常是水相和油相）生成離散液滴，并通過微流控泵高速精確控制液滴的生成[3]。其主要優勢包括：

•  低樣本體積需求

•  高自動化程度

•  高通量

•  低成本

·    微流控設備能夠快速、精準地控制流體體積，提高DNA分析吞吐量。例如，液滴微流控技術可實現每秒成千上萬個液滴的生成和分選[1]。

每個液滴即為獨立的反應室，適用于數字PCR分子計數、蛋白質結晶篩選和基因表達分析等應用。反應次數可隨著液滴生成速率的增加而擴大，同時液滴體積的減小可降低試劑消耗，使實驗更具靈活性[1]。

    整體而言，該技術可在極少的試劑消耗下進行數億次反應，極大提升實驗效率并降低成本。然而與基于芯片陣列的固定點檢測不同，液滴在微流控通道中流動，無法通過位置信息標記反應結果，因此需要額外的標記方法[1]。

3 高通量單細胞基因組測序

    傳統測序技術通常難以檢測基因組中的微小變異，因此科學家利用單細胞全基因組測序來識別拷貝數變異和單核苷酸變異[2]。

    通過微流控技術可實現高通量、可擴展的單細胞測序。例如，一項研究采用條形碼標記技術，對單個癌細胞的擴增基因組DNA進行分析。該方法能夠在癌癥緩解期檢測到具有致病突變的細胞，并揭示急性髓系白血病（AML）腫瘤的復雜克隆進化過程，這些信息是傳統測序方法無法捕獲的[3]。因此，該技術有望提高癌癥基因組異質性分析的精度，并優化個性化治療策略[3]。

4 如何開始實驗？

    液滴微流控技術提供了一種高通量、低成本的DNA分析方式。如果您希望開展相關實驗，以下是所需的基本設備：

2-3臺微流控泵（或1臺具備2-3個通道的泵，如4U泵）——控制連續相（油相）和分散相（水相）的流動。推薦使用4U壓力泵或2-3臺ExiGo微流控注射泵，其中4U壓力泵可獨立控制4個通道，實現穩定且精準的流量控制。

• 2-3個流量傳感器——實時監測油相和水相的流量，確保流體穩定。

• 微流控芯片——生成液滴并保證液滴尺寸的可控性。

• 穩定的通道表面化學修飾——提高液滴穩定性。

• 表面活性劑——穩定油水界面，增強液滴的穩定性。

• 油相——提高液滴穩定性。

• 管路——連接泵與微流控芯片。

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參考文獻

1.  Abate, Adam R et al. “DNA sequence analysis with droplet-based microfluidics." Lab on a chip vol. 13,24 (2013): 4864-9. doi:10.1039/c3lc50905b

2.  Pellegrino, Maurizio et al. “High-throughput single-cell DNA sequencing of acute myeloid leukemia tumors with droplet microfluidics." Genome research vol. 28,9 (2018): 1345-1352. doi:10.1101/gr.232272.117

3.  Sohrabi, S., & Moraveji, M. K. (2020). Droplet microfluidics: Fundamentals and its advanced applications. RSC Advances, 10(46), 27560-27574.