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實(shí)驗(yàn)方案:微滴制備儀制備含Oligo DNA的可降解凝膠珠

瀏覽次數(shù):1232 發(fā)布日期:2023-12-7  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>
本實(shí)驗(yàn)方案參照10X Genomics的barcode凝膠珠制備方法,以微滴/微球制備儀為驅(qū)動(dòng)裝置,以丙烯酰胺混合液為水相(分別以丙烯酰胺和N,N′-雙(丙烯酰)胱胺作為單體和交聯(lián)劑),以含有N, N, N′, N′-四甲基乙二胺的Drop-Surf微滴生成油為油相,制備含有Oligo DNA的高單分散可降解聚丙烯酰胺凝膠珠(CV<5%),封裝前后Oligo DNA濃度交聯(lián)率高達(dá)40%以上。

 
引言:
細(xì)胞作為生物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,在形態(tài)類型上差異很大。結(jié)合高通量測(cè)序,基于液滴的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)被成功應(yīng)用于分析單細(xì)胞中的RNA[1-3]、DNA[4,5]和蛋白質(zhì)[6,7]等組分。為了標(biāo)記追蹤單個(gè)細(xì)胞,需要將含有DNA barcode的凝膠珠與單個(gè)細(xì)胞共同封裝在納升級(jí)的液滴中,以便用于后續(xù)的單細(xì)胞分析測(cè)序[8]。而如何將合成的DNA barcode添加到凝膠珠上是實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。現(xiàn)已報(bào)道的制備添加DNA barcode的方法有inDrop單細(xì)胞測(cè)序的聚丙烯酰胺膠珠[2]、Drop-seq單細(xì)胞測(cè)序的羥化甲基丙烯酸聚合物凝膠珠[3]和10X Genomics使用的聚丙烯酰胺凝膠珠[8]等。
然而,上述方法制備的膠珠由于化學(xué)成分不同,其優(yōu)缺點(diǎn)有明顯差異。例如,inDrop系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)95%以上的膠珠包裹率,但DNA barcode的釋放需要通過紫外線輔助釋放,這在一定程度上增加了引物的釋放難度[2]。同時(shí),紫外線也有可能對(duì)DNA或RNA造成不可逆的傷害。Drop-seq系統(tǒng)中雖無上述問題,但引物不會(huì)從膠珠中釋放,這使得反應(yīng)僅在膠珠表面進(jìn)行,降低了反應(yīng)效率。在10X Genomics系統(tǒng)中,膠珠可以實(shí)現(xiàn)有效的包裹和釋放,但相對(duì)較高的成本和膠珠上引物設(shè)計(jì)缺乏靈活性限制了一些實(shí)驗(yàn)的開展。因此,當(dāng)前的主要難點(diǎn)是制備出簡(jiǎn)易高效向液滴輸送含有barcode膠珠,從而實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)效率。
FluidicLab基于Wang等人的研究[9],參照10X Genomics的barcode凝膠珠制備方法,提供了一種含有Oligo DNA聚丙烯酰胺可降解凝膠珠的實(shí)驗(yàn)方案。本實(shí)驗(yàn)方案以丙烯酰胺混合液為水相(分別以丙烯酰胺和N,N′-雙(丙烯酰)胱胺作為單體和交聯(lián)劑),以含有N, N, N′, N′-四甲基乙二胺的Drop-Surf微滴生成油為油相,制備含有Oligo DNA的高單分散可降解聚丙烯酰胺凝膠珠。所制備的膠珠可以通過二蘇硫醇(DTT)打開交聯(lián)劑N,N′-雙(丙烯酰)胱胺中的二硫鍵,使得其被完全降解,從而釋放出DNA barcode(機(jī)理如下圖所示[9],發(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)以過硫酸銨(APS)作為催化劑,N, N, N′, N′-四甲基乙二胺(TEMED)作為催化加速劑),通過檢測(cè)封裝前后Oligo DNA濃度可知其交聯(lián)率高達(dá)40%以上。
 
 
實(shí)驗(yàn)材料:
 
試劑盒 微滴生成油(Drop-Surf, FluidicLab)
破乳劑(Drop-Surf, FluidicLab)
TBSET緩沖液(FluidicLab)
40%丙烯酰胺溶液(wt%, FluidicLab)
0.8% N,N′-雙(丙烯酰)胱胺溶液(wt%, BAC, FluidicLab) 
過硫酸銨(APS, FluidicLab)
N, N, N′, N′-四甲基乙二胺(TEMED, FluidicLab)
1% Span 80的正己烷溶液(v/v, FluidicLab)
TET緩沖液(FluidicLab)
Qubit ssDNA檢測(cè)試劑盒(Thermo Fisher Scientific)
10 mM 二蘇硫醇溶液(DTT , FluidicLab)
耗材 15 mL離心管(Falcon 15 mL REF 352097)若干
1.5 mL離心管若干
內(nèi)/外徑0.25 /1.6 mm PEEK管及所需接頭
0.22 μm針式過濾器(PTFE材質(zhì))若干
芯片夾具 PDMS-FF-50 μm 超疏水芯片(FluidicLab)
PDMS標(biāo)準(zhǔn)芯片夾具
設(shè)備 Fluidiclab微滴/微球制備儀(兩通道)
輔助設(shè)備 電腦(Win10 以上系統(tǒng))
高速離心機(jī)(湖南湘儀, H1850)
普通光學(xué)顯微鏡(用于測(cè)微球粒徑)
Qubit 4熒光檢測(cè)儀
 
 
實(shí)驗(yàn)步驟:
  1. 試劑配制:
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應(yīng)用:微滴制備儀制備含Oligo DNA的可降解凝膠珠”):
(1) 10%(w/v)過硫酸銨溶液配制:
稱量約0.1 g 過硫酸銨,加入超純水振蕩溶解,最終定容至1 mL備用。
(2) 含有Oligo DNA的水相配制
依次取200 μL TBSET緩沖液、300 μL 40%(wt%)丙烯酰胺溶液、980 μL 0.8% (wt%) N,N′-雙(丙烯酰)胱胺溶液和120 µL 10%(w/v)過硫酸銨溶液混合均勻,并用0.22 μm的針式過濾器過濾處理備用;
再依次取上述配制好的800 µL丙烯酰胺混合液、166 µL 濃度為150 µM的Oligo DNA和34 µL超純水混合均勻得到1 mL含有Oligo DNA的水相溶液,最終配制成分如下表所示:
 
項(xiàng)目/單位 初濃度 加入量(μL) 終濃度
丙烯酰胺混合液 TBSET緩沖液 / 100 /
丙烯酰胺溶液(wt%) 40% 150 6%
N,N′-雙(丙烯酰)胱胺溶液(wt%) 0.80% 490 0.392%
過硫酸銨(w/v) 10% 60 0.60%
Oligo DNA 150 μM 166 25 μM
超純水 / 34 /
 
 
(3) 水相中Oligo DNA濃度的檢測(cè):
取5 µL上述配制的含有Oligo DNA水相溶液,加入45 µL超純水將其稀釋10倍,振蕩均勻備用;
依次取298.5 μL Qubit ssDNA Buffer和1.5 μL Qubit ssDNA Reagent混合均勻得到Qubit ssDNA檢測(cè)試劑備用。
依次取上述配制的199 μL Qubit ssDNA檢測(cè)試劑和1 μL 上述配制的含有Oligo DNA的水相稀釋液混合均勻,并靜置2 min;用Qubit 4檢測(cè)其濃度。
(4) 油相配制:
按1000:4 (v/v)的體積比在3 mL微滴生成油中加入12 μL TEMED,并振蕩均勻。

2. 含有Oligo DNA膠珠的制備和固化
(1) 微滴/微球制備儀的安裝連接
微滴/微球制備儀安裝連接參考《微滴/微球制備儀使用手冊(cè)V.1.0》中“2. 微滴/微球制備儀的安裝連接”的部分;其連接如下(步驟③-⑦連接效果如下圖所示):
 

① 用氣管依次連接“空氣壓縮機(jī)”--“氣源處理裝置”--“微滴/微球制備儀”;
② 將微滴/微球制備儀分別與電源、電腦的連接;
③ 用氣管分別將A0(壓力輸出通道一)和A1(油相15 mL儲(chǔ)液池),B0(壓力輸出通道二)和B1(水相1.5 mL儲(chǔ)液池)連接;
④ 用配有1/4-28螺紋接頭和卡箍的PEEK管(內(nèi)/外徑 0.25 mm/1.6 mm)分別將A1(油相15 mL儲(chǔ)液池)和A2(通道一流量傳感器),B1(水相1.5 mL儲(chǔ)液池)和B2(通道二流量傳感器)連接;
⑤ 用配有1/4-28螺紋接頭和卡箍的PEEK管(內(nèi)/外徑 0.25 mm/1.6 mm)分別將A2(通道一流量傳感器)和A3(PDMS芯片的油相入口),B2(通道二流量傳感器)和B3(PDMS芯片的水相入口)連接;
⑥ C為標(biāo)準(zhǔn)PDMS-FF-50超疏水芯片和夾具組合,芯片和夾具的入口通過硅膠塞密封;
⑦ 用PEEK管(內(nèi)/外徑 0.25 mm/1.6 mm)將芯片出口D處生成的乳液導(dǎo)出。
(2) FluidicLabSuite軟件的安裝和設(shè)備的添加:
FluidicLabSuite軟件的安裝參考《微滴/微球制備儀使用手冊(cè)V.1.0》中“3.1 FluidicLabSuite軟件的安裝”的部分;
  1. 含有Oligo DNA膠珠的制備和固化:
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應(yīng)用:微滴制備儀制備含Oligo DNA的可降解凝膠珠”):
① 在通道一的儲(chǔ)液池(油相)中加入上述配制的油相,通道二的儲(chǔ)液池(水相)中加入上述配制的含有Oligo DNA的水相;
② 打開空氣壓縮機(jī)及氣源處理開關(guān);
③ 在電腦端設(shè)置通道一(油相)和通道二(水相)壓力排出管路及芯片中的空氣,待空氣排出(管路及芯片充滿液體)后,設(shè)定油相和水相流速分別為20和10 μL/min;
④ 按《微滴/微球制備儀使用手冊(cè)V.1.0》調(diào)整流速增加反饋值(Feedback)以快速達(dá)到預(yù)定設(shè)置值;
⑤ 待微液滴生成穩(wěn)定后,用疏水培養(yǎng)皿接收液滴用并顯微鏡觀察其均勻性;
⑥ 微液滴穩(wěn)定生成后,即可開始接收至離心管中,20 min后停止收集;
⑦ 將接收至離心管中的乳液表面覆蓋200 μL 礦物油,并放置于65 °C鼓風(fēng)干燥箱中過夜固化。

3. 含有Oligo DNA膠珠的破乳清洗:
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應(yīng)用:微滴制備儀制備含Oligo DNA的可降解凝膠珠”):
① 取出1.5 mL離心管底部油相和上層礦物油;
② 按V : V = 1:2 加入破乳劑,振蕩破乳;5000 rpm離心處理30s,取出底部廢液;重復(fù)上述操作2~3次,直到微球由乳白色變?yōu)橥该鳎?br /> ③ 按V : V = 1:2 加入 1% Span80的正己烷溶液,振蕩均勻;5000 rpm離心處理30s,取出上部廢液;重復(fù)上述操作2~3次;
④ 按V : V = 1:3 加入TET緩沖液,振蕩均勻,5000 rpm離心處理5min,取出上層廢液;重復(fù)上述操作1~2次;
⑤ 最終分散于TET緩沖液中,得到固化后的聚丙烯酰胺微球。

4.膠珠中Oligo DNA濃度檢測(cè):
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應(yīng)用:微滴制備儀制備含Oligo DNA的可降解凝膠珠”):
① 取5 µL上述制備的膠珠,加入45 µL濃度為10 mM的DTT溶液,振蕩均勻,靜置約10 min,等待膠珠完全溶解;           
② 配制Qubit ssDNA檢測(cè)試劑,依次取298.5 μL Qubit ssDNA Buffer和1.5 μL Qubit ssDNA Reagent混合均勻;
③ 依次取上述配制的199 μL Qubit ssDNA檢測(cè)試劑和1 μL 上述上述配制的膠珠溶解液混合均勻,并靜置2 min;
④ 用Qubit 4檢測(cè)其濃度。

5. 微滴/微球制備儀清洗:
微滴生成儀每次使用完必須清洗管路、流量傳感器和芯片。具體操作詳見“微滴/微球制備儀操作指導(dǎo)卡”。
 
結(jié)果與討論:
① 用Qubit 4檢測(cè)上述配制水相中的Oligo DNA濃度,儀器顯示結(jié)果為14.9 μg /mL (24.35 μM,單位轉(zhuǎn)換公式:
② 剛接收的微滴平均粒徑為45.16 μm,具有極高的單分散性(變異系數(shù):CV=2.65%)。其顯微鏡圖和粒徑分布如下圖所示:
 
③ 固化后,最終獲得的含有Oligo DNA膠珠的平均粒徑為53.64 μm,具有極高的單分散性(變異系數(shù):CV=3.88%)。其顯微鏡圖和粒徑分布如下圖所示:
 
④ 用Qubit 4檢測(cè)上述溶解后膠珠中的Oligo DNA濃度,儀器顯示結(jié)果為6.48μg /mL (10.58 μM,單位轉(zhuǎn)換公式:)。
⑤ 通過檢測(cè)封裝前后Oligo DNA濃度可知其交聯(lián)率高達(dá)44.35%。
 
參考文獻(xiàn):

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[6] Stoeckius M., et al. Simultaneous epitope and transcriptome measurement in single cells, Nat. Methods, 14, 865 (2017).
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[8] Zheng G. X. Y., et al. Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells, Nat. Commun., 8, 14049 (2017).
[9] Wang Y., et al. Dissolvable polyacrylamide beads for high-throughput droplet DNA barcoding, Adv. Sci., 7, 1903463 (2020).
來源:上海澎贊生物科技有限公司
聯(lián)系電話:021-65103566
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