$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
עריכת גנים בתאי אדם ראשוניים היא מרכזית יותר ויותר הן בפיתוח טיפולי והן במחקר בסיסי, כולל יישומים בהנדסה חיסונית, מידול מחלות נדירות וגנומיקה פונקציונלית1. למרות שאלקטרופורציה מאפשרת עריכת גנום יעילה מאוד, מערכות מבוססות קובטה קונבנציונליות דורשות בדרך כלל עד מיליוני תאים בכל מצב, מה שמגביל את השימוש בהן בדגימות שמקורן במטופלים ובאוכלוסיות חיסוניות נדירות2. בנוסף, מערכות אלו אינן מתאימות במיוחד לסינון בקנה מידה גדול בשל מגבלות בתפוקה, אוטומציה וצריכת תגובות3.
אלקטרופורציה מיקרופלואידית התגלתה כגישה מבטיחה לעריכת גנום בקלט נמוך4. עם זאת, רוב הפלטפורמות הקיימות מסתמכות על ארכיטקטורות זרימה רציפה הכוללות טיפול מורכב בנוזלים, גמישות מוגבלת בערבוב מגבים, ודרישות תא גבוהות יחסית לכל תנאי. לעומת זאת, מיקרופלואידיקה דיגיטלית (DMF) מאפשרת מניפולציה פעילה של טיפות בקנה מידה ננו-ליטר בדידות על מערך אלקטרודות מישורי, ומאפשרת שליטה מדויקת על הרכב התגובה, תזמון ומיקום מרחבי. הפורמט המבוסס על טיפות מסוג plug-and-play מתאים במיוחד לתהליכי עבודה בנפח נמוך ובקצב תפוקה גבוה, שבהם שימור תאים ראשוניים ומגבים הוא חיוני5.
עבודות עדכניות הדגימו את ההיתכנות של משלוח תוך-תאי מבוסס DMF באמצעות ארכיטקטורות אלקטרופורציה תלת-טיפות, המייצרות שדות חשמליים מקומיים בזרם נמוך להעברת RNP ו-mRNA יעילה, תוך מזעור הלחץ התרמי והאלקטרוכימי 6,7,8. בהתבסס על יסוד זה, פותחה פלטפורמת אלקטרופורציה מהדור הבא של DMF, בשם 'DMF-ection', הכוללת 48 אתרי תגובה ניתנים לכתובת עצמאית, תאימות מלאה לאוטומציה וייצור מחסניות בקנה מידה(איור 1). מחסנית ה-DMF מורכבת מפלטת PCB תחתונה ולוח עליון מפלסטיק המופרד על ידי אטם, המורכבים באמצעות סנאפים ליישור בכיוון נכון אחד (איור 1A). פריסת 48-plex מאורגנת לשמונה משפחות זהות (איור 1A–H), שכל אחת כוללת שישה אתרי אלקטרופורציה ניתנים לכתובת עצמאית, התומכת בעד 48 תנאי עריכה מקבילים לכל מחסנית (איור 1B). ספריות RNA מנחים מונחות על פני השטח של המצע באמצעות מפזר אקוסטי לפני הרכבת המחסנית. דיוק המיקום של ההפקדה אושר בכל 48 האתרים, כאשר מיקומי הטלה התקבצו בתוך סטייה תת-מילימטרית מנקודת האמצע של האלקטרודה (איור 1C), מה שתומך בהרכבת RNP אמינה על המחסנית. לאחר הטעינה, תאים וטיפות אלקטרודות נוזליות מופעלות על המחסנית ליצירת גאומטריית האלקטרופורציה התלת-טיפלית (איור 1D). לאחר האלקטרופורציה, התאים מופרקים ללוחות תרבית לצורך התאוששות וניתוח במורד הזרם, כולל ציטומטריית זרימה, ריצוף ומיקרוסקופיה (איור 1E). מערכת זו מאפשרת עריכת גנום ביעילות גבוהה תוך שימוש בעד פי 100 פחות תאים מאשר שיטות סטנדרטיות מבוססות קובטה, ומרחיבה משמעותית את הגישה להנדסת גנום ביישומים בעלי קלט נמוך ותפוקה גבוהה.
מחקר זה מעריך את ביצועי הפלטפורמה על ידי אספקת מטענים ביומולקולריים מרובים, כולל קומפלקסים של mRNA ו-CRISPR–Cas9 ריבונוקליאופרוטאין (RNP), ומשיג טרנספקציה יעילה והפרעה גנטית. בנוסף לתאי T ראשוניים, DMF-ection מספק מסגרת כללית להעברת חומצות גרעין למבנים רב-תאיים מורכבים. ספרואידים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) ומודלים אורגנואידיים מטילים חסמים משמעותיים לחדירת תגובות בשל הארכיטקטורה והשבריריות שלהם, ושיטות אלקטרופורציה קונבנציונליות לעיתים משבשות את המורפולוגיה או יוצרות הפצה הטרוגנית. כדי להעריך האם אותם עקרונות אלקטרופורציה מוקטנים ששימשו לעריכת תאי T חלים גם על רקמות מובנות, תהליך העבודה של DMF יושם על ספרואידים HEK293T תלת-ממדיים. ניסויים אלו הראו כי אלקטרווטציה מבוססת DMF יכולה למקם בעדינות ספרואידים שלמים בתוך גאומטריות של שלוש טיפות ולתמוך בהעברת mRNA אחידה תוך שמירה על מבנה וצמיחה. למרות שתוצאות אלו אינן פרוטוקול תאי ה-T הראשוני המתואר כאן, הן ממחישות את היישום הרחב יותר של אלקטרופורציה DMF מתוכנתת למערכות תאיות תלת-ממדיות מתפתחות הרלוונטיות לגילוי תרופות ולמידול מחלות.