CN114686371A - 一种流式电转染装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流式电转染装置，包括电极组件、至少两个开口和至少一个流体导向结构。本发明解决了流式电转染电极腔室内不同位点的流体流速相对不均匀的技术问题，提高了流体经过电极腔室时受到电击次数的准确性，提高了电转染效率，同时降低了因过多次数的电击而造成的细胞损伤甚至死亡，从而提高了细胞存活率。
Description
技术领域
本发明涉及一种流式电转染装置，更具体而言，本发明涉及一种调控流式电转染装置中流体流速的装置，将流体导向结构用于调控流体在电转染腔室内不同位点流速以达到整体均匀流速的方法。
背景技术
细胞膜是包围在细胞外周的一层薄膜，是细胞与外界进行选择性物质交换的通透性屏障。细胞膜使细胞成为一个独立的生命单位，并拥有一个相对稳定的内环境。周围环境中的一些物质可以通过细胞膜，其它的物质则不行。细胞可以通过细胞膜从周围环境摄取养料，排出代谢产物，使物质的转运达到平衡状态。所以，细胞膜的基本功能就是维持细胞内微环境的相对稳定并有选择地与外界环境进行物质交换。
研究发现，如果对细胞施加一定强度的电场并持续一段时间，就可以诱导细胞膜上产生一些微孔，使细胞的通透性增强，所谓细胞电穿孔就是指细胞在外加脉冲电场的作用下，细胞膜脂双层上形成瞬时微孔的生物物理过程。当细胞膜发生电穿孔时，其通透性和膜电导会瞬时增大，使亲水分子、核酸、蛋白质、病毒颗粒、药物颗粒等正常情况下不能通过细胞膜的物质得以进入细胞。在短时间内撤除电场后，细胞膜可以自我恢复，重新成为选择性通透屏障。这种利用细胞膜电穿孔的特性将外源物质导入细胞的过程称为细胞电转染。
虽然电转染作用的机理并不完全清楚，但在本文中细胞电转染是公知的，包括细胞膜脂双层的破裂，导致在膜上形成暂时性的微孔，允许外源性分子进入细胞。
根据已有的研究，为了能够实现高通量的细胞电转染过程，通常会将一个腔室放置于一对平行电极之间，或者在腔室中放置针电极阵列，使得细胞的悬浮溶液在腔室中流动的同时受到电击，通常该类装置也称为流式电转染装置。
在现有技术公开的装置中，虽然平行板电极之间的距离通常在10-15毫米左右，即电转染腔室的高度不大，但是电极的长度和宽度(0.5-1厘米)往往相对较大，即电转染腔室的长度和宽度也相对较大；含有针电极阵列的电转染腔室的长度也较大；导致流体流经电转染腔室时不同位点的流体流速不均匀。
流式电转染装置在工作过程中，细胞的悬浮溶液从进液口进入并流经电转染腔室，在一定时间间隔内受到腔室内电极的电击，再从出液口流出。
通常电转染腔室内靠近中心区域的流体流速较大，而靠近腔室壁的流体流速较小。
电转染腔室内的流体流速不均匀会造成一部分细胞受到多次重复电击，如果电转染腔室内的部分流体出现了滞留，滞留区域的细胞会受到多次重复、甚至持续的电击，造成滞留区域的细胞死亡，从而影响整体细胞存活率。
而电转染腔室内的流速较快的部分流体，会受到相对较少次数的电击，这部分流体中的细胞的转染效率可能较低，影响整体细胞转染效率。因此，研究人员在实际使用流式电转染装置时，希望能够调整电转染腔室中流体在不同位点的流速，使其尽可能保持一致，以克服上述的技术问题。
经过检索，发现了相关的现有技术，专利US4125468A公开了一种中空纤维渗透仪，在入口12处设置导流板23，导流板23被紧固到壁的内表面，用于在流体进入容器时引导其远离出口从而实现进入流体与容器中的流体的混合。
专利US4885089A公开了一种带有流体引导结构的滤筒分液装置，流体引导结构设置在装置的出口处，适于将流体引导远离所述出口并接着引导通过所述出口，是用于防止涡流的产生。
虽然上述现有技术中存在将流体导向结构用于控制流体在管道中的流动，以改变流体进入管道后的状态，但是尚未有对流式电转染装置采用流体导向结构控制流体流速均匀性的现有技术。而这一技术问题是研究人员在实际使用流式电转染装置，希望提高其性能时发现的。
本发明需要解决已有的流式电转染装置腔室内流体流速不均匀，即腔室中心区域流体流速较快，而远离腔室中心区域且靠近腔室壁的流体流速缓慢而产生滞留区域的技术问题。
发明内容
本发明克服了上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供了一种流式电转染装置，能够使电转染腔室内不同位点的流体流速达到一致，经过电转染腔室不同位点的细胞受到电极电击次数接近相同，从而大大提高细胞存活率和电转染效率。
为了达到上述的目的，本发明所提供的流式电转染装置的技术方案概述如下：
一种流式电转染装置，包括至少一个流体导向结构；
所述流式电转染装置包括至少两个开口，其中一个为进液口，另一个为出液口；
所述流体导向结构位于所述流式电转染装置进液口处和/或出液口处；
所述流体导向结构包括至少一个分流块；所述分流块横截面形状选自三角形、梯形、平行四边形、多边形、圆形、椭圆形、圆弧过度流线形、波浪线形、锥形等；
优选所述流体导向结构包括两个分流块，所述分流块之间可以形成喇叭口、平行、交错、垂直等排列方式；所述分流块之间可以接触，也可以不接触。
所述流式电转染装置包括电极组件；所述电极材料包括但不限于各种金属及合金、带表面镀层的金属、复合高分子导电材料等。
优选所述电极组件为一组平行板电极，平行板电极平行放置于电极支撑装置上，平行板电极之间留有间隙；所述电极支撑装置为非金属不导电材料；所述平行板电极和电极支撑装置通过焊接，胶粘，紧固等方式连接。
优选所述电极组件为一组针电极阵列，所述针电极阵列包括多个针电极，针电极按正多边形排列，所述电极阵列中相邻的两个针电极之间的距离相等。所述针电极阵列的形状为由若干等边三角形组成的正六边形，所述针电极位于所述等边三角形的顶点上。
优选，本发明涉及流体导向结构用于控制流式电转染装置中流体在电极腔室内不同位点流速的方法。
优选，一种控制流式电转染装置中不同位点流体流速的方法，包括使用本发明的流体导向结构。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：本发明的技术方案采用可实现分流的流式电极结构，解决了流式电转染腔室内的不同位点流体流速不均匀，即腔室中心区域流速较快，而远离腔室中心区域且靠近腔室壁的流体流速慢并可能出现滞留区域的技术问题，避免了滞留区域的细胞因长时间累积而受到多次重复电击的现象，提高了电击次数的精确性，降低了因过多次数的电击而造成的细胞损伤甚至死亡，从而提高了细胞存活率，并提高了电转染效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1本发明所述流式电转染装置的分解结构示意图；
图2(A)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(B)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(C)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(D)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(E)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(F)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(G)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(H)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(I)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图2(J)流体导向结构中分流块之间的位置设计和横截面形状结构示意图；
图3本发明所述流式电转染装置流体导向结构设置于进液口的剖视图；
图4本发明所述流式电转染装置流体导向结构设置于出液口的剖视图；
图5本发明所述流式电转染装置流体导向结构设置于进液口和出液口的剖视图；
图6本发明所述流式电转染装置的分解结构示意图；
图7利用图2(F)的流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B分别对CHO-S细胞在含有FITC-Dextran(平均分子量500kDa)的缓冲液中进行电转染的实验结果；
图8利用图2(H)的流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B分别对CHO-S细胞进行了质粒pcDNA3.1的电转染的实验结果。
其中，1-电极支撑装置，2-第一电极，3-第二电极，4-出液口，5-分流块，6-导向开口，7-流体导向结构，8-进液口，9-腔室，10-滞留区域，11-中心转轴，12-分流转叶支撑结构，13-分流转叶。
具体实施方式
下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明所述流式电转染装置如图1所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)上下分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，如图3所示，流体导向结构(7)由两个或多个横截面为三角形的分流块(5)排列组合，或者由横截面三角形和横截面为梯形的分流块(5)排列组合，分流块(5)之间形成导向开口(6)，分流块(5)排列方式如图2(A)和图2(B)所示。
流体从进液口(8)流入时，接触到流体导向结构(7)，一部分流体通过两侧分流块(5)流向两侧区域，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)；一部分从进液口(8)径直流入的流体通过中部的导向开口(6)，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
实施例二
本发明所述流式电转染装置如图1所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)两侧分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，如图3所示，流体导向结构(7)由两个或多个横截面为四边形的分流块(5)排列组合，或者由横截面为四边形和横截面为三角形的分流块(5)排列组合，分流块(5)之间形成导向开口(6),分流块(5)排列方式如图2(C)和图2(D)所示。
流体从进液口(8)流入时，接触到流体导向结构(7)，一部分流体通过两侧分流块(5)流向两侧区域，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)；一部分从进液口(8)径直流入的流体通过中部的导向开口(6)，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位置点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
可以更换实施例二中流体导向结构的位置，在进液口(8)处不设置，在出液口(4)处设置，进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，出液口(4)靠近腔室处(9)设置流体导向结构(7)，如图4所示。
实施例三
本发明所述流式电转染装置如图1所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)两侧分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，如图3所示，流体导向结构(7)由横截面为圆形和横截面为三角形的分流块(5)排列组合，或者由横截面为圆形和横截面为圆弧过渡流线形的分流块(5)排列组合，圆弧形的分流块(5)中间开一个或多个导向开口(6),且分流块(5)之间形成导向开口(6),分流块排列方式如图2(E)和2(F)所示。
流体从进液口(8)流入时，接触到流体导向结构(7)，一部分流体通过两侧分流块(5)流向两侧区域，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)，一部分从进液口(8)径直流入的流体通过中部的导向开口(6)，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位置点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
实施例四
本发明所述流式电转染装置如图1所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)两侧分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，如图3所示，流体导向结构(7)由两个或多个横截面为波浪线形的分流块(5)排列组合，分流块(5)之间形成导向开口(6),分流块(5)排列方式如图2(G)和图2(H)所示。
流体从进液口(8)流入时，接触到流体导向结构(7)，一部分流体通过两侧分流块(5)流向两侧区域，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)，一部分从进液口(8)径直流入的流体通过中部的导向开口(6)，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位置点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
实施例五
本发明所述流式电转染装置如图1所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)两侧分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，如图3所示，流体导向结构(7)由两个或多个横截面为不规则多边形的分流块(5)排列组合，分流块(5)之间形成导向开口(6),分流块(5)排列方式如图2(I)和图2(J)所示。
流体从进液口(8)流入时，接触到流体导向结构(7)，一部分流体通过两侧分流块(5)流向两侧区域，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)，一部分从进液口(8)径直流入的流体通过中部的导向开口(6)，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位置点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
可以更换实施例一至实施例五中流体导向结构(7)的位置，只在出液口(4)处设置，出液口(4)靠近腔室处(9)设置流体导向结构(7)。例如将图2(F)所示的流体导向结构(7)设置于出液口(4)处，如图4所示。
可以更换实施例一至实施例五中流体导向结构(7)的位置，在进液口(8)和出液口(4)两处都设置，进液口(8)靠近腔室(9)处设置流体导向结构(7)，出液口(4)靠近腔室处(9)设置流体导向结构(7)。例如将图2(F)所示的流体导向结构(7)设置于进液口(8)和出液口(4)处，如图5所示。
实施例六
本发明所述流式电转染装置如图6所示，所述电转染装置由电极支撑装置(1)、第一电极(2)和第二电极(3)组成腔室(9)；所述第一电极(2)和第二电极(3)平行放置；电极支撑装置(1)两侧分别设置进液口(8)和出液口(4),进液口(8)靠近腔室(9)处设置分流转叶支撑结构(12)，分流转叶支撑结构(12)上设置中心转轴(11)和分流转叶(13)。
流体从进液口(8)流入时，接触到分流转叶支撑结构(12)，通过分流转叶支撑结构(12)，流体的流动会带动分流转叶(13)转动，分流转叶(13)绕着中心转轴(11)旋转，从分流转叶(13)流出去的流体会在整个腔室(9)内流动，带动两侧滞留区域(10)的流体流向出液口(4)，从进液口(8)径直流入的流体通过分流转叶(13)的转动，使腔室(9)内靠近中心区域的快速进液缓慢下来，不会从进液口(8)直接冲向出液口(4)，从而在整体上使流体在腔室(9)内各位点的流体流速均匀顺畅，流体电转染更充分有效。
通过分流转叶(13)将垂直流向的运动转换成螺旋流动的运动，实现腔室(9)内各位点的流体流速的均匀性。
实施例七
将本发明流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B设置对照实验，比较电转染效率的差别。同时设置空白对照组，空白对照组除不进行电击外，处理方式与电转染组实验相同。
利用本发明实施例三中图2(F)的流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B分别对CHO-S细胞在含有FITC-Dextran(平均分子量500kDa)的缓冲液中进行电转染。收集对数生长期的细胞，以300g离心5min后弃除上清，用DPBS重悬清洗，再以300g离心5min弃除上清。用EBEL电转缓冲液重悬细胞至密度为1×108/mL，再加入FITC-Dextran至终浓度为0.5mg/mL，混匀后立即分别用带A和B的装置进行电转染(电转染条件：电压220V，脉宽1ms，间隔1s，次数3次)。电转染结束后，以活细胞密度5×106/mL进行接种，摇瓶培养。2h后，用流式细胞术检测不同处理组之间细胞FITC信号的直方图。
由图7结果显示，使用本发明施例三中图2(F)的流式电转染装置A进行电转染的细胞，FITC信号峰宽更窄，表明细胞受到的电击次数更为准确，因此对FITC-Dextran的转染效率更高。
实施例八
将本发明流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B设置对照实验，比较流式电转染时细胞的存活率和GFP阳性率的差别。同时设置空白对照组，空白对照组除不进行电击外，处理方式与电转染组实验相同。
利用本发明实施例四中图2(H)的流式电转染装置A和未使用流体导向结构的流式电转染装置B分别对CHO-S细胞进行了质粒pcDNA3.1的电转染。收集对数生长期的细胞，以300g离心5min后弃除上清，用DPBS重悬清洗，再以300g离心5min弃除上清。用EBEL电转缓冲液重悬细胞至密度为1×108/mL，再加入pcDNA3.1至终浓度为100μg/mL，混匀后立即分别用带A和B的装置进行电转染(电转染条件：电压230V，脉宽600us，间隔1s，次数4次)。电转染结束后，以活细胞密度4×106/mL进行接种，摇瓶培养。24h后，收取细胞进行7AAD染色，用流式细胞术检测细胞的存活率，并检测不同组细胞的GFP阳性率。
由图8结果显示，使用本发明实施例四中图2(H)的流式电转染装置A进行电转染的细胞，细胞存活率和GFP阳性率更高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并不限制本发明，不能认定本发明的实施方式只局限于这些实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理和构思的前提下，还可以做出若干改进或润饰，都应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种流式电转染装置，包括电极组件和至少两个开口，其特征在于，包括至少一个流体导向结构。
2.根据权利要求1所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述流体导向结构位于所述流式电转染装置至少一个开口处。
3.根据权利要求1所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述流体导向结构由至少一个分流块组成。
4.根据权利要求1所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述流体导向结构由至少两个分流块组成，所述分流块之间可以形成喇叭口、平行、交错等排列方式。
5.根据权利要求3-4任一项所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述分流块横截面形状选自三角形、梯形、平行四边形、多边形、圆形、椭圆形、圆弧过度流线形、波浪线形、锥形等。
6.根据权利要求1所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述流体导向结构包括分流转叶。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述电极组件为一组平行板电极。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种流式电转染装置，其特征在于，所述电极组件为一组针电极阵列。
9.一种控制流式电转染装置电极腔室内不同位点流体流速的方法，其特征在于，使用权利要求1-6任一项中所述的流体导向结构。
10.流体导向结构用于控制流式电转染装置中流体在电极腔室内不同位点流速的方法。
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