顯微注射泵系統(tǒng)研發(fā)背景:
在高倍倒置顯微鏡下,,利用顯微操作器(Micromanipulator),控制顯微注射針在顯微鏡視野內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置,,用來(lái)進(jìn)行細(xì)胞或早期胚胎以及動(dòng)物組織顯微操作的一種方法,。而的顯微注射技術(shù),已經(jīng)廣泛擴(kuò)大到動(dòng)物育種,、瀕危物種保護(hù),、試管嬰兒、基因編輯,、基因敲除,、光遺傳學(xué)研究,、神經(jīng)回路研究、納米顆粒捕獲,、工程微藻篩選,、微流控芯片技術(shù)等方面。
以細(xì)胞內(nèi)微注射和微灌注技術(shù)為基礎(chǔ)的玻璃針頭(GlassNeedle,,玻璃微量毛細(xì)移液管)的使用,,已經(jīng)在越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)研究領(lǐng)域中成為一項(xiàng)非常普遍的操作方法,比如在轉(zhuǎn)基因中等等,。描述這些技術(shù)zui恰當(dāng)?shù)脑拺?yīng)當(dāng)稱其為---顯微操作,,因?yàn)檫@些操作是通過(guò)單個(gè)的或多個(gè)的筒狀玻璃微量移液管、定位裝置(顯微操作器)以及微量注射器或微量灌注器來(lái)在單個(gè)的細(xì)胞上進(jìn)行的,。
顯微注射應(yīng)用的范圍非常廣泛,,從輔助(體外)細(xì)胞受精技術(shù)至分子和細(xì)胞基本組分的轉(zhuǎn)運(yùn)都需使用這一技術(shù),比較典型的是將某些物質(zhì)注射進(jìn)細(xì)胞中以操作和/或監(jiān)測(cè)某種特定的存活細(xì)胞中的基本機(jī)體生物化學(xué)狀態(tài),。這些可以注射進(jìn)細(xì)胞的物質(zhì)包括有:各種細(xì)胞器,、激酶、組織化學(xué)標(biāo)志物(比如辣根過(guò)氧化物酶或者熒光黃),、蛋白質(zhì),、代謝物質(zhì)、微磁頭,、離子,、抗體、基因,、分子生物學(xué)的mRNA和DNA等等,。運(yùn)用這一技術(shù),也可以實(shí)現(xiàn)用于單個(gè)細(xì)胞或一組細(xì)胞的較少量(皮升至毫升)藥劑或藥物的輸送(微灌注),,例如藥理學(xué)的藥物檢驗(yàn),。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的制作,可以利用基因微注射(gene microinjection),、胚干細(xì)胞(embryonic stem cells,ES cells),、載體(sperm vector)、反轉(zhuǎn)錄病毒感染(retroviral vectorinfection)及體細(xì)胞核移置(somatic cell nucleartransfer)等方法達(dá)成,,其中顯微注射為目前應(yīng)用zui普遍之方法之一,。
顯微注射法(microinjection)是利用管尖極細(xì)(0.1至0.5μm)的玻璃微量注射針,將外源基因片段直接注射到原核期胚或培養(yǎng)的細(xì)胞中,,然后藉由宿主基因組序列可能發(fā)生的重組(rearrangement),、缺失(deletion)、復(fù)制(duplication)或易位(translocation)等現(xiàn)象而使外源基因嵌入宿主的染色體內(nèi)。這種顯微注射術(shù)的程序,,需有相當(dāng)精密的顯微操作設(shè)備,,制造長(zhǎng)管尖時(shí),需用微量吸管拉長(zhǎng)器(micropipettepuller),,注射時(shí)需有固定管尖位置的微量操作器,。這種技術(shù)的長(zhǎng)處為任何DNA在原則上均可傳入任何種類的細(xì)胞內(nèi)。此法已成功運(yùn)用于包括小鼠,、魚,、大鼠、兔子及許多大型家畜,,如牛,、羊、豬等基因轉(zhuǎn)殖動(dòng)物,。
顯微注射泵系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介及選購(gòu)方案建議:
在顯微注射技術(shù)中,,zui重要的一環(huán)或者說(shuō)設(shè)備是顯微注射泵,而由此發(fā)展而來(lái)的一套精密儀器設(shè)備,,統(tǒng)稱為顯微注射泵系統(tǒng),。顯微注射泵系統(tǒng)主要包括:顯微注射泵主機(jī)、顯微操作儀,、動(dòng)力源和顯微注射針,。
各種不同顯微注射泵系統(tǒng)的歸類主要依據(jù)該技術(shù)所依靠的顯微注射泵主機(jī)來(lái)劃分,目前上通用的顯微注射泵主要分為三種類型,;氣壓脈沖驅(qū)動(dòng)的氣泵,,納米步進(jìn)電機(jī)程控的電動(dòng)泵和液壓驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)注射泵。
1.液壓驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)注射泵由操作人員手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刻度旋鈕,,通過(guò)壓縮的液體前推或者回吸管路中的液體,從而控制顯微注射泵注射針的樣品液向前注射或者回抽胞內(nèi)物質(zhì)等,,由于液體壓力有一定的遲緩性和可壓縮性,,使得操作人員無(wú)法準(zhǔn)確控制液壓類型的顯微操作儀的注射量或者回吸量,并且液壓手動(dòng)顯微操作儀由于前推或者回吸壓力比較小,,對(duì)于細(xì)胞內(nèi)壓較大或者回吸阻力大,,以及對(duì)于需要控制注射或回吸量的顯微注射操作來(lái)說(shuō),并不合適,。但是液壓驅(qū)動(dòng)的手動(dòng)注射泵由于其價(jià)格實(shí)惠,,能夠滿足一般實(shí)驗(yàn)室對(duì)于顯微注射操作的需求,所以對(duì)于部分實(shí)驗(yàn)室使用者來(lái)說(shuō),,有其選購(gòu)的理由和價(jià)值,,推薦型號(hào)如圖:(武漢蓋爾德納科技有限公司提供,Gairdner Tech)液壓手動(dòng)注射泵。
2.氣壓驅(qū)動(dòng)的顯微注射泵系統(tǒng),,本系列設(shè)備通過(guò)注射泵主機(jī)后面板接口連接壓力氣瓶(通常為氮?dú)?、空氣等),主機(jī)設(shè)置脈沖“注射”壓力,、注射時(shí)間以及依據(jù)注射時(shí)的玻璃注射針規(guī)格,,將位于玻璃注射針內(nèi)的樣品注射到被注射物內(nèi)部。
推薦型號(hào)為數(shù)顯氣動(dòng)皮升注射泵是通過(guò)芯片控制注射時(shí)的脈沖壓力,、注射時(shí)間以及依據(jù)玻璃注射針的規(guī)格等,,將樣品(如藥物、核酸類物質(zhì),、染料,、慢病毒、神經(jīng)遞質(zhì),、基因編輯工具等)通過(guò)玻璃注射針注射到目標(biāo)物中,,注射體積范圍從pl到ul不等。被注射物有哺乳動(dòng)物細(xì)胞,、魚類卵細(xì)胞(如斑馬魚,、青鳉、鱖魚等)及魚類幼體,、珊瑚蟲卵細(xì)胞,、線蟲、果蠅,、飛蛾,、白蟻、嚙齒類動(dòng)物顱腦組織等,,可用于遺傳學(xué)研究,、基因干擾、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物育種,、基因編輯,、光遺傳學(xué)研究、神經(jīng)回路研究,、生殖醫(yī)學(xué)健康研究,、試管嬰兒等領(lǐng)域,亦可用于顆粒捕獲,,如目標(biāo)微藻的挑取,、納米材料顆粒的捕獲等。PLI系列數(shù)顯皮升注射泵包括的型號(hào)有:PLI-10,,PLI-90A,,PLI-100A等。其中PLI-100A有五種壓力選擇如:注射,平衡,,清除,,填注,固定,。各種壓力數(shù)值,、注射時(shí)間以及注射操作計(jì)數(shù)等參數(shù)均通過(guò)前面板上的數(shù)顯屏分別實(shí)時(shí)顯示。
優(yōu)點(diǎn):“平衡”壓力在每次注射脈沖之間讓玻璃注射針(玻璃毛細(xì)管)保持低的正性維持壓,,以阻止液體通過(guò)毛細(xì)管虹吸作用或擴(kuò)散的方式回吸(此壓力對(duì)于細(xì)胞內(nèi)壓較大的被注射物的注射操作特別有益處),。“清除”壓力主要用來(lái)防止玻璃注射針堵管問(wèn)題或者處理被注射物保護(hù)膜比較厚,通過(guò)合適脈沖對(duì)保護(hù)膜穿孔的情況,。“填注”壓力為負(fù)壓,,用于對(duì)玻璃注射針管進(jìn)行樣品液的充液。“固定”壓力也為負(fù)壓,,主要用于吸附支持被注射的物體,,如卵細(xì)胞、昆蟲幼體等,,防止被注射物滑動(dòng)而造成顯微注射操作的失敗,。
不足的特性:無(wú)法達(dá)到的確定注射量,因?yàn)闅鈩?dòng)注射泵單次注射的量與注射時(shí)脈沖壓力選擇,、脈沖時(shí)間長(zhǎng)度,、玻璃注射針的長(zhǎng)短和形狀及開(kāi)口大小、注射液的粘度均有關(guān)系,,以上參數(shù)如果無(wú)法*保持一致,,則兩次注射或回吸的微量體積均不同;同時(shí),,通過(guò)氣壓脈沖控制的皮升注射泵,,需要操作者有比較熟練的顯微操作經(jīng)驗(yàn),了解實(shí)驗(yàn)中常用被注射物所需的注射體積和注射位點(diǎn),,多次操作訓(xùn)練后,,才能實(shí)現(xiàn)重復(fù)性比較高的顯微操作注射量數(shù)據(jù),間接地影響了實(shí)驗(yàn)效率和初學(xué)者實(shí)驗(yàn)的成功率,。
市場(chǎng)上成熟的氣壓動(dòng)力來(lái)源注射泵推薦型號(hào)為數(shù)顯氣動(dòng)皮升注射泵(武漢蓋爾德納科技有限公司提供,Gairdner Tech),,如圖所示:
此系列數(shù)顯氣動(dòng)皮升注射泵主要應(yīng)用前景為:
1.魚類遺傳學(xué)研究應(yīng)用:
●用于斑馬魚,、青鳉、中華鱘,、黑斑原鮡等魚類卵細(xì)胞及魚類幼體的核酸類物質(zhì),、染料、功能蛋白、慢病毒等的注射,;
●用于海洋生物如珊瑚蟲等的遺傳學(xué)研究,;
2.腦科學(xué)研究的應(yīng)用:
●用于光遺傳學(xué)研究中慢病毒等物質(zhì)的動(dòng)物顱內(nèi)注射;
●用于神經(jīng)回路研究中藥物,、染料或神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)物顱內(nèi)免震動(dòng)注射,;
●用于感染與免疫科學(xué)研究中細(xì)菌毒素、病毒等侵入腦組織的相關(guān)研究及治療性藥物的腦組織注射,;
●用于神經(jīng)類藥物研究中,,藥物透過(guò)血腦屏障等相關(guān)研究;
3.昆蟲研究的應(yīng)用:
●用于線蟲,、蠕蟲體內(nèi)藥物,、核酸物質(zhì)或染料注射;
●用于果蠅,、棉鈴蟲,、褐飛虱等體內(nèi)藥物、核酸物質(zhì)或染料注射,,涉及植物防蟲研究,、昆蟲遺傳學(xué)研究等;
4.用于斑紋螺,、爪蟾卵細(xì)胞及幼蟾體內(nèi)注射,;
5.嚙齒類動(dòng)物的研究應(yīng)用:
●用于鼠類、試驗(yàn)兔等腦內(nèi)深部組織的藥物,、核酸類物質(zhì),、神經(jīng)遞質(zhì)或染料的注射;
●用于鼠類,、試驗(yàn)兔及其他動(dòng)物的肢體器官或組織微損傷藥物,、染料或其他物質(zhì)的注射,包括炎癥研究,、光遺傳研究等,;
6.用于生殖醫(yī)學(xué)研究:
●用于人工受精、試管嬰兒以及人類生殖健康學(xué),、優(yōu)生優(yōu)育遺傳學(xué)研究等,;
7.用于動(dòng)物育種改良、轉(zhuǎn)基因及基因編輯技術(shù)研究:
●哺乳動(dòng)物如豬,、牛,、山羊等動(dòng)物體細(xì)胞或卵細(xì)胞的核移植或基因編輯工具注射,涉及動(dòng)物育種學(xué),、遺傳改良,、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物,、基因編輯技術(shù)等;
8.納米材料科學(xué)及微藻環(huán)境污染治理等研究:
●用于納米材料顆粒及目標(biāo)微藻的捕獲,,分別涉及到納米生物醫(yī)用材料,、納米載藥系統(tǒng)和基因工程微藻治理環(huán)境污染、功能微藻能源物質(zhì)生產(chǎn)等,。
3.納米步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的程控顯微注射泵系統(tǒng),,主要依據(jù)顯微控制電腦,在顯微控制電腦上設(shè)置好注射或者回吸所需的準(zhǔn)確體積(分辨率zui小1pl),,完成注射/回吸所需的時(shí)間,,以及操作過(guò)程自動(dòng)完成的速率等參數(shù),只需要要操作者按下開(kāi)始開(kāi)關(guān)或者腳踏開(kāi)關(guān),,那么設(shè)置好的顯微注射程序就會(huì)自動(dòng)地將樣品液注射到目標(biāo)物中,。
納米電機(jī)驅(qū)動(dòng)的程控顯微注射泵我們主要推薦市場(chǎng)使用成熟穩(wěn)定的NanojectIII和QSI系統(tǒng),其中Nanoject III系統(tǒng)是一代可編程顯微注射泵系統(tǒng),,非常適合用于定量定速對(duì)卵母細(xì)胞及動(dòng)物幼體,、原生動(dòng)物、動(dòng)物顱腦等的顯微注射或抽吸操作,。它可提供快速,、的zui少0.6nL的任意編程體積注射或抽吸,一次操作可注射或抽吸可達(dá)4200nL體積的樣品液,。注射過(guò)程中使用玻璃毛細(xì)管,,并用礦物油來(lái)充滿毛細(xì)管,再將礦物油大部分推出,,然后將注射液體回抽到玻璃毛細(xì)管前面,。對(duì)于部分操作實(shí)驗(yàn),亦可直接將注射液體灌充玻璃毛細(xì)管或者直接回抽注射液體,,而不需要先填充礦物油,。(武漢蓋爾德納科技有限公司提供,Gairdner Tech)推薦型號(hào)如圖所示:
NanojectIII主要應(yīng)用前景為:
1.斑馬魚等魚類研究的應(yīng)用:
●用于斑馬魚及其他魚類卵細(xì)胞基因或染料的注射或抽吸,;
●用于斑馬魚及其他魚類幼魚體內(nèi)注射或抽吸,;
2.昆蟲研究的應(yīng)用:
●用于線蟲、蠕蟲,、果蠅,、棉鈴蟲、褐飛虱等卵細(xì)胞注射或抽吸,;
●用于線蟲,、蠕蟲體內(nèi)藥物或染料注射;
●用于果蠅,、棉鈴蟲,、褐飛虱體內(nèi)藥物或染料注射;
3.用于爪蟾卵細(xì)胞及幼蟾體內(nèi)注射,;
4.嚙齒類動(dòng)物的研究應(yīng)用:
●用于大鼠,、小鼠等腦內(nèi)深部組織的藥物或神經(jīng)遞質(zhì)或染料的注射;
●用于大鼠及小鼠卵細(xì)胞及胚胎基因物質(zhì),、藥物及染料注射等,。
而我們推薦的另外一套納米步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的顯微注射泵系統(tǒng)為超微量定位注射泵QSI是一代固定于腦立體定位儀或者顯微操作儀,進(jìn)行腦內(nèi)注射應(yīng)用的*儀器,。QSI是目前市面上*能zui小注射量達(dá)到1pl,,注射流速為0.05nl/min-520ul/min的超微量注射泵。本型號(hào)注射泵可以直接放置0.5ul到250ul容量的微量注射器,,并且匹配市面上絕大多數(shù)廠家生產(chǎn)的微量注射器型號(hào),,只需要簡(jiǎn)單地從儀器的全觸屏微電腦控制器上選擇信息庫(kù)中對(duì)應(yīng)的注射器品牌和規(guī)格,即可實(shí)現(xiàn)體積和流速的注射或回吸操作,。
推薦型號(hào)QSI(武漢蓋爾德納科技有限公司提供,,Gairdner Tech)如圖所示:
此系列型號(hào)主要應(yīng)用前景為:
1.腦科學(xué)研究的應(yīng)用:
●用于光遺傳學(xué)研究中慢病毒等物質(zhì)的動(dòng)物顱內(nèi)注射;
●用于神經(jīng)回路研究中藥物,、染料或神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)物顱內(nèi)注射,;
●用于感染與免疫科學(xué)研究中細(xì)菌毒素、病毒等侵入腦組織的相關(guān)研究,;
●用于神經(jīng)類藥物研究中,,藥物透過(guò)血腦屏障等相關(guān)研究;
2.昆蟲研究的應(yīng)用:
●用于線蟲,、蠕蟲體內(nèi)藥物,、核酸物質(zhì)或染料注射;
●用于果蠅,、棉鈴蟲,、褐飛虱體內(nèi)藥物,、核酸物質(zhì)或染料注射;
3.用于爪蟾卵細(xì)胞及幼蟾體內(nèi)注射;
4.嚙齒類動(dòng)物的研究應(yīng)用:
●用于大鼠,、小鼠等腦內(nèi)深部組織的藥物、核酸類物質(zhì),、神經(jīng)遞質(zhì)或染料的注射,;
●用于大鼠、小鼠及其他動(dòng)物的器官或組織微損傷藥物,、染料或其他物質(zhì)的注射,。
關(guān)于在納米步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的顯微注射泵選擇上,NanojectIII和QSI均具有自動(dòng)化程度高,,易于初學(xué)者上手使用快,,操作簡(jiǎn)單,,程控等特點(diǎn),但是NanojectIII與QSI功能略有不同,,其中QSI前端直接控制的注射針為微量注射器,,為鋼針注射頭,可以注射動(dòng)物組織,,但是如需要注射更微小的細(xì)胞或者為了避免對(duì)活體動(dòng)物造成損傷,,我們建議在鋼針針頭前用熱熔膠接上一段玻璃注射針針頭。而NanojectIII(武漢蓋爾德納科技有限公司提供,,Gairdner Tech)則不需要此熱熔膠轉(zhuǎn)接操作,,因?yàn)樵撔吞?hào)注射泵前端直接配備的為玻璃注射針針頭,可以直接使用,。
各個(gè)科研院所的實(shí)驗(yàn)人員,,在選擇顯微注射泵系統(tǒng)前,應(yīng)該提前統(tǒng)計(jì)和預(yù)估本研究所將要注射的被注射物樣本為哪種,,需要達(dá)到的顯微注射準(zhǔn)確性要求有多高,,本實(shí)驗(yàn)室的預(yù)算經(jīng)費(fèi)為多少,實(shí)驗(yàn)操作者的技術(shù)水平程度,,以及后續(xù)對(duì)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用,,空間占用率、設(shè)備使用率等方面考慮,,選擇*的顯微注射泵系統(tǒng)選擇方案,。
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