用于批量快速筛选最佳低温保存程序的生物芯片技术

    1 引 言

    低温冻存技术是实现生物材料长期保存的重要方法,在组织工程、器官移植等领域有广泛应用。生物材料可以在低温下长期保存,但却极易在降温和复温过程中受溶 液冻结、融化以及溶液渗透压力变化等因素的作用而损害[1~8]。根据Mazur/两因素损伤0假说,对于不同的生物样品,均存在一个最佳冷却速率,可使 其损伤最小[6, 9]。另一方面,低温保护剂的引入虽可大大减小生物材料的低温损伤,但不合适的浓度则对保存无益甚至会对细胞产生毒性[4, 10]。因此,建立合适的保存程序及添加理想的保护剂是成功保存生物材料的关键。

    围绕这些问题,学术界进行了大量研究,但以往工作大多是针对某种生物样品开展降温试验,或添加特定保护剂予以考察,得出的结果不具有普遍性。要想筛选出最 佳的低温保存程序及低温保护剂配比,通常需要依赖于大量繁琐、耗费昂贵的重复性检测[11, 12]。因此,若能将保存过程中各个环节结合起来,发展快速、廉价而有效的生物样品最佳低温保存程序筛选措施,对于推动低温生物医学技术的进步具有重要意 义。本课题借鉴生物芯片技术的概念,对上述问题提出了相应的解决方案[13],并发展了两种用于筛选低温保存程序的芯片装置。本文报道其中的一些研究结 果。

    2 微流道式芯片分配流体特性

    为实现样品、水溶液及低温保护剂按一定比例进行快速分配,设计了一种微流道式芯片。图1给出一种4级分叉结构,流体可在其中完成从一份来流分配为多份流 体。微流道入口和出口处设置有微阀门,以控制流体的导入和排出。样品阵列容器对应于微流道的输出末端,样品与保护剂在此处掺混。虽然,该结构以往在大量的 生化分析中得到重要应用[14],但本文实验表明,这一流道不易实现流体的均匀分配。究其原因,主要是由于流道各个通路的流动阻力不同所致。为此,应重新 设计流道,以保证流体的均匀分配。研究了另一种快速实施流体分配的方法)))点样法。

    3 点样式芯片实验

    3. 1 装置原理与实现方法

    参照生物芯片进行样品分配的方法,设计了微孔阵列容器,并采用微注射器进行点样,实现低温保护剂和样品的均匀分配。在样品活性评价方面,可在微孔阵列容器 中设置测温装置,并采用前期发展的降温动力学曲线法来筛选低温保护剂最佳浓度和降温程序[15]。由于生物样品的相变冻结温度强烈地依赖于细胞膜脂双层的 组分、链长及饱和度,因而经受损伤后,其降温曲线会与正常者存在大的偏离。因而,取一定量经过冻结并复温后的样品再度进行降温,比较其降温曲线与正常样品 降温曲线之间的偏离度,即可对所冻存的样品活性或损伤程度作出定量评价。这一操作十分简单,测试结果不会因人而异,定量化程度高,而且对于几乎所有的冻存 生物样品均适用。