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Gen-Editierung in primären menschlichen Zellen wird sowohl für die therapeutische Entwicklung als auch für die Grundlagenforschung zunehmend zentral, einschließlich Anwendungen in der Immuntechnik, der Modellierung seltener Krankheiten und der funktionellen Genomik1. Obwohl die Elektroporation eine hocheffiziente Genomeditierung ermöglicht, benötigen konventionelle Cuvette-basierte Systeme typischerweise bis zu Millionen von Zellen pro Bedingung, was deren Nutzung für patientenabgeleitete Proben und seltene Immunpopulationen einschränkt2. Darüber hinaus sind diese Systeme aufgrund von Einschränkungen bei Durchsatz, Automatisierung und Reagenzienverbrauchschlecht für großflächige Screenings geeignet.
Die mikrofluidische Elektroporation hat sich als vielversprechender Ansatz für die Genombearbeitung mit geringem Inputerwiesen 4. Die meisten bestehenden Plattformen basieren jedoch auf kontinuierlichen Strömungsarchitekturen, die komplexe Flüssigkeitshandhabung, begrenzte Flexibilität beim Reagenzienmischen und relativ hohe Anforderungen pro Bedingung erfordern. Im Gegensatz dazu ermöglicht die digitale Mikrofluidik (DMF) die aktive Manipulation diskreter Nanoliter-Tröpfchen auf einem planaren Elektrodenarray, was eine präzise Steuerung der Reaktionszusammensetzung, des Timings und der räumlichen Lokalisierung ermöglicht. Dieses Plug-and-Play-Tropfenformat eignet sich hervorragend für Workflows mit geringem Volumen und hoher Durchsatzleistung, bei der die Erhaltung von Primärzellen und Reagenzien unerlässlich ist5.
Jüngste Arbeiten haben die Machbarkeit einer DMF-basierten intrazellulären Abgabe unter Verwendung von Tri-Tropfen-Elektroporationsarchitekturen gezeigt, die lokale, stromarme elektrische Felder erzeugen, um eine effiziente RNP- und mRNA-Abgabe zu gewährleisten und gleichzeitig thermische und elektrochemische Belastung 6,7,8 zu minimieren. Auf dieser Grundlage aufbauend wurde eine DMF-Elektroporationsplattform der nächsten Generation entwickelt, genannt 'DMF-Ection', mit 48 unabhängig adressierbaren Reaktionsstellen, vollständiger Automatisierungskompatibilität und skalierbarer Patronenfertigung(Abbildung 1). Die DMF-Kartusche besteht aus einer unteren PCB-Platte und einer Kunststoffoberplatte, die durch eine Dichtung getrennt sind und über Ausrichtungsschnappsen in einer einzigen korrekten Ausrichtung zusammengesetzt sind (Abbildung 1A). Das 48-Plex-Layout ist in acht identische Familien organisiert (Abbildung 1A–H), von denen jede sechs unabhängig adressierbare Elektroporationsstellen enthält und bis zu 48 parallele Bearbeitungsbedingungen pro Cartridge unterstützt (Abbildung 1B). Führungs-RNA-Bibliotheken werden vor der Montage der Kartusche mit einem Akustikspender auf die Substratoberfläche aufgebracht. Die Positionsgenauigkeit der Ablagerung wurde an allen 48 Standorten bestätigt, wobei sich die Abwurfpositionen innerhalb einer submillimeterlangen Abweichung vom Elektrodenmittelpunkt (Abbildung 1C) gruppierten (Abbildung 1C), was eine zuverlässige RNP-Montage auf der Kartusche unterstützte. Nach dem Laden werden Zellen und Flüssigkeitselektrodentropfen auf der Kartusche aktiviert, um die Tri-Tropfen-Elektroporationsgeometrie zu bilden (Abbildung 1D). Nach der Elektroporation werden die Zellen in Kulturplatten zur Rückgewinnung und nachgeschalteten Analyse entladen, einschließlich Durchflusszytometrie, Sequenzierung und Mikroskopie (Abbildung 1E). Dieses System ermöglicht eine hocheffiziente Genom-Editierung mit bis zu 100-fach weniger Zellen als Standard-Cuvette-basierte Methoden und erweitert den Zugang zur Genomtechnik in Anwendungen mit geringem Input und hoher Durchsatz erheblich.
Diese Studie bewertet die Leistung der Plattform, indem sie mehrere biomolekulare Ladungen liefert, darunter mRNA- und CRISPR–Cas9-Ribonukleoproteinkomplexe (RNP), wodurch eine effiziente Transfektion und Gendisruption erreicht werden. Neben primären T-Zellen bietet DMF-Ection einen verallgemeinerbaren Rahmen zur Abgabe von Nukleinsäuren in komplexe mehrzellige Strukturen. Dreidimensionale (3D) Sphäroide und Organoid-Typ-Modelle stellen aufgrund ihrer Architektur und Fragilität erhebliche Barrieren für das Eindringen von Reagenzien dar, und konventionelle Elektroporationsmethoden stören oft die Morphologie oder erzeugen heterogene Abgabe. Um zu beurteilen, ob die gleichen miniaturisierten Elektroporationsprinzipien wie bei der T-Zell-Bearbeitung auch auf strukturierte Gewebe angewendet werden, wurde der DMF-Workflow auf 3D-HEK293T Sphäroiden angewandt. Diese Experimente zeigten, dass DMF-basierte Elektrobenetzung intakte Sphäroide innerhalb von Tri-Tropfen-Geometrien sanft positionieren und eine einheitliche mRNA-Abgabe unterstützen kann, während Struktur und Wachstum erhalten bleiben. Obwohl diese Ergebnisse außerhalb des hier beschriebenen primären T-Zell-Protokolls liegen, verdeutlichen sie die breitere Anwendbarkeit programmierbarer DMF-Elektroporation für aufkommende 3D-zelluläre Systeme, die für die Wirkstoffforschung und Krankheitsmodellierung relevant sind.