近年來科學(xué)家們開發(fā)出了很多新型微流控系統(tǒng)，研究者可以通過這些新型微流控系統(tǒng)在完整生物體中進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)正在催化從人類健康到基礎(chǔ)生物學(xué)原理等許多領(lǐng)域的生物學(xué)突破。近期來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“Microfluidics for understanding model organisms”的綜述文章，討論了最近用于研究完整模式生物的微流控工具，展示了這些綜合方法的當(dāng)下應(yīng)用和未來潛力，描述了這些微系統(tǒng)的技術(shù)特征，并強(qiáng)調(diào)了在固定、自動(dòng)對準(zhǔn)、分揀、感官刺激、機(jī)械刺激、遺傳擾動(dòng)、化學(xué)刺激和熱擾動(dòng)等領(lǐng)域精確操作的獨(dú)特優(yōu)勢。

圖1通過新型微流控方法實(shí)現(xiàn)模式生物研究的未來跨學(xué)科方向 研究人員從精確操作和受控刺激兩個(gè)方面對應(yīng)用于模式生物研究的微流控系統(tǒng)進(jìn)行了綜述討論： 精確操作 用于精確操作模式生物的微流控系統(tǒng)可減少甚至消除手動(dòng)處理的需求，可以始終如一地精確定位樣品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的通量分析和處理。很多常見的生物學(xué)研究方法都要求研究人員對樣本進(jìn)行物理分類、對齊和/或固定，如顯微鏡檢查、顯微注射以及從群體中選擇具有特定特征的個(gè)體。手動(dòng)執(zhí)行這些任務(wù)會(huì)引入用戶可變性，且需要操作人員具備專業(yè)知識，并且通常這個(gè)過程非常耗時(shí)，從而導(dǎo)致較低的樣本數(shù)量和較高的實(shí)驗(yàn)噪聲。下文分析了用于以最少的用戶干預(yù)以高通量固定、對齊和分揀樣品的微流控系統(tǒng)。 1）固定： 固定活的生物個(gè)體對于許多實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的固定技術(shù)，如使用麻醉劑或粘合劑，通常對生物體有害、耗時(shí)、通量低、需要經(jīng)驗(yàn)并會(huì)引入意想不到的變量。已經(jīng)開發(fā)的微流控系統(tǒng)，大多通過物理限制、麻醉劑的受控輸送或兩者配合來實(shí)現(xiàn)樣品固定，以解決這些長期存在的實(shí)驗(yàn)限制。例如Subendran等人最近的工作中開發(fā)了一種具有集成形狀記憶合金致動(dòng)器的微流控器件，用于在觀察區(qū)域中固定斑馬魚，以檢查尾部跳動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)力流動(dòng)。Chaudhury等人的工作利用了較冷的溫度和物理限制來麻醉并隨后對果蠅幼蟲進(jìn)行成像。這些研究實(shí)例突出了微流控系統(tǒng)潛在的實(shí)現(xiàn)長期研究的能力。隨著時(shí)間的延長，這些方法可以產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)集，從中可以收集到許多生物學(xué)數(shù)據(jù)。 2）自動(dòng)對準(zhǔn)： 模型生物的正確樣品對齊對于成像，注射和外部刺激至關(guān)重要。在許多領(lǐng)域使用手動(dòng)對準(zhǔn)是非常具有挑戰(zhàn)性的，自動(dòng)對準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)將實(shí)現(xiàn)高通量方法來標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境和刺激，這將對未來大有裨益。例如Zhang等人開發(fā)斑馬魚幼體器官注射顯微注射系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用V形電熱微致動(dòng)器精確地操縱斑馬魚胚胎，該執(zhí)行器被集成到機(jī)器人顯微操作系統(tǒng)中，以最小的變形輕輕定位和定向胚胎，以防止生理損傷。一般而言，設(shè)計(jì)具有多功能性和低使用門檻的系統(tǒng)將加快模式生物研究的步伐，并為比較生物學(xué)提供跨物種的實(shí)驗(yàn)范式。 3）分揀： 按發(fā)育年齡或其他表型對模式生物進(jìn)行分類是許多實(shí)驗(yàn)的先決條件步驟，通常需要在選擇感興趣的表型時(shí)手動(dòng)完成。例如，按發(fā)育階段手動(dòng)對樣本進(jìn)行分類是許多實(shí)驗(yàn)的常見先決條件。微流控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)手動(dòng)分揀技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的規(guī)模分揀樣品。例如Utharala等人創(chuàng)建了一個(gè)改進(jìn)的微流控平臺(tái)，其集成閥安裝在熒光顯微鏡上，用于對表達(dá)熒光標(biāo)記物的果蠅胚胎進(jìn)行分類。運(yùn)動(dòng)生物使分揀任務(wù)更具挑戰(zhàn)性。Mani和Chen最近的設(shè)計(jì)利用斑馬魚幼蟲對光和聲學(xué)的天生厭惡，以非侵入性地將幼蟲圍入特定的腔室中。這些方法將加速多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，包括藥物篩選、誘變分析以及其他類似的模式生物大規(guī)模研究，這些研究可以從這種自動(dòng)化中受益。

圖2用于精確操作模型生物的微流控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的通量分析和處理 受控刺激 受控刺激可能是研究生物系統(tǒng)的有力方法。手動(dòng)施加的刺激本質(zhì)上是有限的，并且可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)變異性，使得此類實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性。微流控系統(tǒng)可以以高精度和以前無法達(dá)到的通量提供刺激，同時(shí)也使曾經(jīng)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)要求降低。現(xiàn)代微加工方法允許使用具有與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相適應(yīng)的特性的材料進(jìn)行復(fù)雜的幾何形狀。此外，在小尺度上控制流量和梯度的能力提供了對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精細(xì)控制。下文討論了與以下類別相關(guān)的微流控技術(shù)所支持的最新實(shí)驗(yàn)范式：感官刺激和行為分析、機(jī)械刺激、遺傳擾動(dòng)、化學(xué)刺激和熱擾動(dòng)。 1）感官刺激和行為分析： 高通量行為檢測對于行為學(xué)研究和神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)研究很有價(jià)值。微流控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的通量以及精確控制感覺刺激以及自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的能力使微流控系統(tǒng)成為模型生物神經(jīng)學(xué)研究的有力工具。Vanwalleghem等人最近的一項(xiàng)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了微流控與其他新興技術(shù)相結(jié)合的潛力，為神經(jīng)系統(tǒng)研究提供了全新的實(shí)驗(yàn)范式。他們利用微流控系統(tǒng)來刺激受控流動(dòng)的魚類，同時(shí)以非侵入性方式記錄神經(jīng)元放電，以研究斑馬魚中的哪些神經(jīng)元負(fù)責(zé)檢測或處理流體流動(dòng)信息的特定特征。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種與定制光片顯微鏡兼容的3D打印微流控器件，以刺激具有精確流動(dòng)矢量的固定斑馬魚。此外，該團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來解碼和分類特定刺激引發(fā)的神經(jīng)元反應(yīng)，以分析由此產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)集。通過微流控學(xué)與分子生物學(xué)，機(jī)器學(xué)習(xí)和顯微鏡學(xué)的新技術(shù)相結(jié)合，使該團(tuán)隊(duì)能夠以新穎的方式更好地觀察大腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能。 2）機(jī)械刺激： 物理力在幾乎所有生物體的發(fā)育和生理學(xué)中起著核心作用，如今移液器壓痕、壓電控制載玻片壓縮和磁鑷已被用于研究生物體對機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)。微流控系統(tǒng)可以產(chǎn)生不同模式的時(shí)空控制機(jī)械刺激，可用于新的定量測定，以更可控和高通量的方式檢查機(jī)械應(yīng)力的影響。例如，該綜述作者所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種微流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)將數(shù)百個(gè)果蠅胚胎沿其前后軸對準(zhǔn)成端到端對齊，并通過傾斜微器件通過重力加載。這種設(shè)計(jì)和應(yīng)用代表了微流控系統(tǒng)在以前無法實(shí)現(xiàn)的通量下為機(jī)械生物學(xué)研究產(chǎn)生精確機(jī)械刺激的能力。 3）遺傳擾動(dòng)： 由于基因表達(dá)水平、選擇性剪接或表達(dá)定位的差異，將功能歸因于基因通常很復(fù)雜，這可能導(dǎo)致明顯的表型后果。為了實(shí)驗(yàn)研究基因的功能，生物學(xué)家通常依靠分子和熒光方法來調(diào)節(jié)或量化基因表達(dá)。然而，許多傳統(tǒng)的遺傳分析方法，在技術(shù)上很復(fù)雜，需要重復(fù)處理或注射樣品，并且通量低，使得這些方法對于分析具有微妙表型結(jié)果的基因具有挑戰(zhàn)性。為了解決這些局限性，Charles等人開發(fā)了一種微流控系統(tǒng)，能夠捕獲數(shù)百個(gè)秀麗隱桿線蟲胚胎并快速實(shí)現(xiàn)有效的試劑交換，在該系統(tǒng)中輕松交換試劑的能力使研究人員能夠以高效的方式執(zhí)行洗滌、雜交、染色和固定在內(nèi)的許多步驟。微流控系統(tǒng)可以通過功能和形式的多功能性來減少對遺傳分析的手動(dòng)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)分析微妙遺傳表型所需的統(tǒng)計(jì)高通量。 4）化學(xué)刺激： 使用微流控系統(tǒng)精確控制流量和產(chǎn)生梯度的能力使研究人員可以越來越多地使用這些工具來研究化學(xué)因素對生物系統(tǒng)的影響。例如Si等人開發(fā)了一種微流控器件，以可視化果蠅幼蟲的嗅覺神經(jīng)元對不同濃度下不同氣味劑的反應(yīng)，使用這種微流控系統(tǒng)結(jié)合三維多神經(jīng)元成像，研究小組表征了嗅覺神經(jīng)元在個(gè)體和群體水平上的反應(yīng)。此外，Zabihihesari等人開發(fā)了一種具有集成玻璃毛細(xì)管和微針的新型微流控器件，可以通過控制這些集成的毛細(xì)管來輕輕地加載、定向和固定幼蟲。一旦正確定位在設(shè)備中，幼蟲就通過精確定位的微針和定制的輸送系統(tǒng)注入化學(xué)物質(zhì)。 5）熱擾動(dòng)： 溫度影響所有物種的成長和發(fā)育時(shí)間。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)仔細(xì)描述了不同溫度下模式生物的發(fā)展，但這些通常是慢性或均勻暴露于特殊溫度下的研究結(jié)果。具有精確時(shí)空溫度控制的微流控系統(tǒng)為感知和響應(yīng)溫度變化的生物學(xué)機(jī)制提供了寶貴的思路。例如Bai等人利用微流控裝置，使用兩個(gè)不同溫度的層流流將果蠅胚胎暴露于胚胎前后軸的熱梯度下，熱梯度導(dǎo)致了沿胚胎軸的異步核分裂。這些研究突出了微流控控制流動(dòng)狀態(tài)的能力，以揭示新的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)，并突出了微流控在模型生物體之間實(shí)現(xiàn)類似實(shí)驗(yàn)范式的能力。

圖3微流控系統(tǒng)可以以高精度和以前無法達(dá)到的通量提供刺激 未來前景 這些工具為模式生物的更多定量研究打開了大門，為發(fā)育生物學(xué)、行為學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、生物物理學(xué)和生物啟發(fā)工程提供見解。利用微流控技術(shù)進(jìn)行模式生物研究產(chǎn)生了新的生物學(xué)見解和實(shí)驗(yàn)方法，包括提高通量、自動(dòng)樣品操作、精確刺激、改善可重復(fù)性和改善便攜性。生物學(xué)家和工程師之間持續(xù)的跨學(xué)科合作正在加速模式生物研究界采用這些工具的速度，并促進(jìn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于模式生物研究的微流控系統(tǒng)的巨大潛力。 論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-30814-6

審核編輯 ：李倩