BioMEMS
Bio-MEMS diagnostiikassa > PCR-sirut

Jatkuvaan virtaukseen perustuva PCR-mikrofluidijärjestelmä, jossa on ohutkalvolämmittimet, ruiskupumppu ja jatkuvan virtauksen PCR-kanava. Tämän esimerkin bio-MEMS:n sovellus on influenssa A RNA:n monistaminen hengitystietutkimusnäytteistä.
Polymeraasiketjureaktio (PCR) on perustavanlaatuinen molekyylibiologinen tekniikka, joka mahdollistaa DNA-sekvenssien selektiivisen monistamisen, mikä on hyödyllistä harvinaisten näytteiden, kuten kantasolujen, biopsioiden ja kiertävien kasvainsolujen, laajennetussa käytössä. Reaktioon kuuluu DNA-sekvenssin ja DNA-polymeraasin lämpökierto kolmessa eri lämpötilassa. Lämmitys ja jäähdytys perinteisissä PCR-laitteissa ovat aikaa vieviä, ja tyypilliset PCR-reaktiot voivat kestää tunteja. Muita perinteisen PCR:n haittoja ovat kalliiden reagenssien suuri kulutus, lyhyiden fragmenttien monistamisen suosiminen ja lyhyiden kimeeristen molekyylien tuottaminen. PCR-sirujen avulla reaktioympäristöä voidaan pienentää, jotta saavutetaan nopea lämmönsiirto ja nopea sekoittuminen suuremman pinta-alan ja tilavuuden suhteen ja lyhyiden diffuusiomatkojen ansiosta. PCR-sirujen etuihin kuuluvat lyhyempi lämpökierron kesto, tasaisempi lämpötila, joka parantaa saantoa, ja siirrettävyys hoitopaikkasovelluksia varten. Mikrofluidisten PCR-sirujen kaksi haastetta ovat PCR:n estäminen ja kontaminaatio, jotka johtuvat suuresta pinta-tilavuus-suhteesta, joka lisää pinnan ja reagenssin vuorovaikutusta. Esimerkiksi piisubstraateilla on hyvä lämmönjohtavuus, joka mahdollistaa nopean lämmittämisen ja jäähdyttämisen, mutta ne voivat myrkyttää polymeraasireaktion. Piisubstraatit ovat myös läpinäkymättömiä, mikä estää qPCR:n optisen havaitsemisen, ja sähköisesti johtavia, mikä estää elektroforeettisen kuljetuksen kanavien läpi. Lasi puolestaan on ihanteellinen materiaali elektroforeesille, mutta se myös estää reaktion. Polymeerit, erityisesti PDMS, ovat optisesti läpinäkyviä, eivät estä reaktiota, ja niitä voidaan käyttää elektroforeettisen lasikanavan päällystämiseen. On olemassa myös erilaisia muita pintakäsittelyjä, kuten polyetyleeniglykolia, naudan seerumin albumiinia ja piidioksidia. On olemassa kiinteitä (kammiopohjaisia), dynaamisia (jatkuvaan virtaukseen perustuvia) ja mikropisara-arkkitehtuureja (digitaalinen PCR).
Kammiopohjainen arkkitehtuuri on seurausta perinteisten PCR-reaktoreiden kutistamisesta, ja niitä on vaikea skaalata. Tätä arkkitehtuuria käyttäen on kehitetty nelikerroksinen lasi-PDMS-laite, johon on integroitu mikroventtiilejä, mikrolämmittimiä, lämpötila-antureita, 380 nl:n reaktiokammioita ja kapillaarielektroforeesikanavia käänteistranskriptiopolymeraasiketjureaktiota (RT-PCR) varten, jonka havaitsemisherkkyys on attomolaarinen.
Jatkuvaan virtaukseen perustuva arkkitehtuuri siirtää näytettä eri lämpötilavyöhykkeiden läpi lämpökierron aikaansaamiseksi. Tämä lähestymistapa kuluttaa vähemmän energiaa ja sen läpimenoteho on suuri, mutta reagenssin kulutus on suuri ja virtauskanaviin voi muodostua kaasukuplia.
Digitaalinen PCR poistaa näytteen/reagenssin pinta-adsorption ja kontaminaation suorittamalla PCR mikropisaroissa tai mikrokammioissa. PCR pisaroissa estää myös homologisten geenifragmenttien rekombinaation, joten lyhyiden kimeeristen tuotteiden synteesi on poissuljettu.