高通量小間距細胞電穿孔裝置設計測試

摘要：本文介紹了一種新型的高通量小間距細胞電穿孔裝置，采用電絕緣的聚氯乙烯（PVC）薄膜制作，電極間距為80μm。該裝置不僅顯著降低了細胞電穿孔所需的電壓，提高了實驗操作的安全性，還實現了高通量操作，提升了實驗效率。盡管電穿孔轉化效率有所降低，但通過進一步優化實驗參數，該裝置在基因工程領域具有廣闊的應用前景。

引言

細胞電穿孔技術，又稱電轉染技術，是一種常用的細胞轉染方法。該技術通過施加一定的電場強度可逆地擊穿細胞膜，在細胞膜上形成小孔或通路，從而將遺傳物質引入細胞內。自1982年由Neumann等報道以來，電穿孔技術已成為基因工程領域和新興的合成生物學領域的重要環節。傳統的細胞電穿孔裝置通常需要幾百伏到幾千伏的電壓，操作危險且依賴人工，難以實現自動化運行。

為解決傳統電穿孔儀的局限，微型電穿孔技術在2000年被提出。微型電穿孔儀雖然提高了細胞存活率和細胞轉染率，甚至實現了對單個細胞的電穿孔操作，但處理的細胞數量偏少，難以滿足生物學實際應用中對細胞數量的需求。為此，本研究設計了一種高通量小間距細胞電穿孔裝置，旨在降低細胞電穿孔所需電壓，提高細胞處理量，并實現高通量操作。

材料與方法

1. 裝置設計與制作

本研究采用電絕緣的聚氯乙烯（PVC）薄膜制作了一種電極間距為80μm的小間距電穿孔裝置。PVC薄膜的厚度決定了電極間距，本實驗采用厚度為0.08mm（80μm）的PVC薄膜。裝置的出入口可以通過硅膠軟管與蠕動泵或注射器相連，實現高通量操作。

2. 實驗材料與試劑

• 菌株：大腸桿菌MG1655（購自某公司）和畢次酵母GS115（購自某公司）。

• 質粒：pUC57（購自某公司，質粒濃度為122.127ng/μL）和pPIC9K（購自某公司，質粒濃度為224.600ng/μL）。

• 試劑：SOC緩沖液、LB（Luria-Bertani）瓊脂培養基、卡那霉素、MD（Minimal Dextrase）培養基、D-山梨醇溶液。

3. 實驗設備

• 某品牌電穿孔儀：威尼德電穿孔儀，用于提供脈沖電壓。

• 注射泵：用于控制細胞液的注入速度。

• 硅膠軟管：用于連接裝置的出入口與蠕動泵或注射器。

4. 實驗參數

• 脈沖電壓：通過威尼德電穿孔儀的XXX模式設定。

• 電穿孔腔體體積：2μL。

• 脈沖發生器：每5秒施加一次脈沖電壓。

• 注射泵速度：0.4μL/s。

5. 實驗過程

• 大腸桿菌MG1655轉染質粒pUC57實驗：

1. 往100μL的感受態細胞液內加入1μL質粒，混勻。

2. 通過注射泵以0.4μL/s的速度注入電穿孔裝置進行電穿孔，電壓分別為200V、220V、240V、260V、280V和300V。

3. 電穿孔后，將細胞液與900μL SOC緩沖液混合，放入37℃搖床復蘇1小時。

4. 將細胞液涂布于含卡那霉素（終濃度為50mg/μL）的LB瓊脂培養基上，放入37℃溫箱過夜培養，第2天早上統計菌落數。

• 畢次酵母GS115轉染質粒pPIC9K實驗：

1. 往100μL的感受態細胞液內加入1μL質粒，混勻。

2. 通過注射泵以0.4μL/s的速度注入電穿孔裝置進行電穿孔，電壓為150V。

3. 電穿孔后，將細胞液與900μL 1mol/L的D-山梨醇溶液混合，放入30℃搖床復蘇1小時。

4. 將細胞液涂布于MD培養基平板上，放入30℃溫箱中培養3天，第4天早上統計菌落數。

實驗結果

1. 大腸桿菌MG1655轉染質粒pUC57實驗結果

在6種測試電壓下（200V、220V、240V、260V、280V和300V），LB瓊脂板上均有菌落長出，表明這些電壓條件下都有細胞成功電穿孔。然而，相比于采用1mm標準電擊杯（通常施加1.8kV脈沖電壓），該電穿孔裝置成功進行電穿孔所需的電壓降低了一個數量級，但電穿孔轉化效率也降低了一個數量級。

2. 畢次酵母GS115轉染質粒pPIC9K實驗結果

實驗組的MD平板上有菌落長出，但菌落數量比對照組（采用1mm標準電擊杯，施加1.5kV脈沖電壓）低了一個數量級。這表明，相比于1mm標準電擊杯，該電穿孔裝置成功進行電穿孔所需的電壓降低了一個數量級，但電穿孔轉化效率同樣降低了一個數量級。

討論

本研究設計的高通量小間距細胞電穿孔裝置顯著降低了細胞電穿孔所需的電壓，提高了實驗操作的安全性。同時，通過硅膠軟管與蠕動泵或注射器的連接，實現了高通量操作，提高了實驗效率。然而，電穿孔轉化效率比1mm標準電擊杯低了一個數量級，這可能與以下因素有關：

1. 電穿孔腔橫截面的長寬比：該裝置電穿孔腔橫截面的長寬比（長度2mm、寬度0.08mm）較大，導致更多細胞處于靠近電極的區域。而該區域在施加電壓過程中的溫度、pH變化較大，可能影響電穿孔效率。

2. 電壓波形與持續時間：針對該電穿孔裝置所采用的電壓波形、持續時間等參數可能不夠理想，需要進一步優化。

策略與創新

為提高電穿孔效率，可以從以下幾個方面進行優化：

1. PVC薄膜通道形狀：通過改變PVC薄膜通道的形狀，調整電穿孔腔橫截面的長寬比，以減少溫度、pH變化對電穿孔效率的影響。

2. 電壓波形與持續時間：進一步優化電壓波形、大小及持續時間等參數，以提高電穿孔效率。

3. 自動化與智能化：隨著科技的發展，可以設計智能電穿孔系統，實時監測細胞狀態和電場參數，自動調整電穿孔條件，以實現最佳的實驗效果。

應用前景

盡管電穿孔轉化效率有所降低，但高通量小間距細胞電穿孔裝置在基因工程領域仍具有廣闊的應用前景。特別是在需要高通量操作、細胞數量需求較大的實驗中，該裝置能夠顯著提高實驗效率，降低操作風險。此外，通過進一步優化實驗參數，該裝置有望在未來實現更高的電穿孔效率，為基因治療、藥物研發等領域提供更加高效的工具。

結論

本研究設計了一種高通量小間距細胞電穿孔裝置，采用電絕緣的聚氯乙烯（PVC）薄膜制作，電極間距為80μm。該裝置顯著降低了細胞電穿孔所需的電壓，提高了實驗操作的安全性，并實現了高通量操作。盡管電穿孔轉化效率有所降低，但通過進一步優化實驗參數，該裝置在基因工程領域具有廣闊的應用前景。未來，隨著技術的不斷發展，該裝置有望在細胞治療、基因治療、藥物研發等領域發揮更加重要的作用。