液滴マイクロ流体工学は、化学分析、生物学的分析、合成生物学、デジタルPCR、薬物スクリーニング、臨床診断など、多様なアプリケーションのための生物医学研究ツールとして確立されてきました。液体の非混和相を利用して単分散液滴のエマルションを生成し、これを分離した反応・輸送容器として、様々な手法で操作、混合、分析、選別を行うことができます。マイクロ流体デバイスの連続フローとは異なり、孤立した液滴では、各液滴の液量における局所的な状態を独立してモニタリングすることができます。この機能は単一細胞の分析に有効です。なぜなら、タンパク質分泌、酵素活性、個々の細胞や単一細胞から発生したクローンコロニーの増殖を、隔離された環境で研究でき、望ましい生物学的およびバイオテクノロジー的特性に基づいて選択できる可能性があるからです。
これらの利点にもかかわらず、従来のハイスループット液滴ソーティングのアプローチは、小液滴（体積10pl未満または直径27μm未満）に限られていました。一方、大液滴（体積100pl超または直径57μm超）には、カプセル化細胞の高い細胞生存率、成長率、分泌率、および細胞溶解後の逆転写効率の向上など、小液滴よりも多くの他の利点が存在します。さらに、大きな細胞や細胞集団（藻類、腫瘍スフェロイド、胚様体など）の中には、小さな液滴に物理的に収まらないものがあります。ハイスループットな大型液滴ソーティングを妨げる主な課題は、最も基本的なレベルでは、これらの液滴の表面自由エネルギーに比べ慣性が大きく、ソーティングスループットと液滴容積の間にトレードオフの関係をもたらすことであります。高い選別速度では，液滴を別の出口に導くために必要な外力により，大きな液滴は小さな液滴よりも容易に小片に分解されます．大きな液滴のソーティング時にこの問題を回避するには、液滴の構造的完全性、ひいては結果の信頼性と実験の再現性を確保するために、ソーティング速度を1桁下げる必要があります。このように分取速度を遅くすることは、標準的なマイクロウェルプレートアッセイに対する液滴マイクロ流体工学の利点を放棄することになります。
最近、合田研究室は、このトレードオフを克服するために、順次アドレス可能な誘電泳動アレイ（Sequentially Addressable Dielectrophoretic Array: SADA）チップを開発し、分取精度や下流アッセイの実行能力を低下させる液滴へのダメージなしに、大きな液滴をハイスループットに分取することができるようになりました。SADA チップでは、オンチップ電極アレイにより、近くを通過する標的液滴の速度と位置に同期して、電極が順次作動・不活性化されます。液滴が電極アレイの各電極を通過するとき、電極は小さな誘電泳動力を発揮し、その合計がターゲット液滴を選別方向に緩やかに引っ張ります。この緩やかな操作に加え、電極を順次活性化・不活性化する機能により、電極アレイ領域内の非標的液滴に影響を与えることなく、単一の標的液滴を選別することが可能となりました。SADA チップは、大きな液滴（~100pl）中の大きな単一細胞や細胞クラスターをオンチップ 蛍光活性ソーティングすることができ、毎秒4,000ドロップレット以上のスループットを実現しています。現在、合田研究室では、SADA技術に基づく生物学、薬学、医学のアプリケーションの開発に取り組んでいます。ハイスループット液滴マイクロ流体工学を細胞培養に適した容量に拡張し、細胞プロセスに基づく単一細胞分析・選別への展開が期待されます。
参考文献
- A. Isozaki, Y. Shibata, N. Tanaka, D. L. Setyaningrum, Y. Nakagawa, M. H. Loo, J. Park, Y. Shirasaki, D. Huang, C. Riche, H. Tsoi, T. Ota, H. Miwa, Y. Kanda, T. Ito, K. Yamada, O. Iwata, K. Suzuki, Y. Kato, T. Hasunuma, S. Matsusaka, M. Yamagishi, M. Yazawa, S. Uemura, K. Nagasawa, H. Watarai, D. Di Carlo, and K. Goda, "Sequentially addressable dielectrophoretic array for high-throughput sorting of large-volume biological compartments", Science Advances 6, eaba6712 (2020)
- Y. Nakagawa, S. Ohnuki, N. Kondo, K. Itto, F. Ghanegolmohammadi, A. Isozaki, Y. Ohya, and K. Goda, "Are droplets really suitable for single-cell analysis? A case study on yeast in droplets", Lab on a Chip 21, 3793 (2021)
- M. H. Loo, Y. Nakagawa, A. Isozaki, and K. Goda, "High-throughput sorting of nanoliter droplets enabled by a sequentially addressable dielectrophoretic array", Electrophoresis 43, 477 (2021)
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