用于研究完整模式生物的微流控工具

近年來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(duì)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(shì)。

圖1通過(guò)新型微流控方法實(shí)現(xiàn)模式生物研究的未來(lái)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(duì)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(duì)樣本進(jìn)行物理分類、對(duì)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(shí)，并且通常這個(gè)過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)物理限制、麻醉劑的受控輸送或兩者配合來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品固定，以解決這些長(zhǎng)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(lái)麻醉并隨后對(duì)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(zhǎng)期研究的能力。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，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(duì)準(zhǔn)： 模型生物的正確樣品對(duì)齊對(duì)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(duì)準(zhǔn)是非常具有挑戰(zhàn)性的，自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)將實(shí)現(xiàn)高通量方法來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境和刺激，這將對(duì)未來(lái)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?yè)p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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)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(wú)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(duì)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(cè)對(duì)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(jué)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(lái)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(cè)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(lái)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(guò)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(duì)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(cè)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(duì)準(zhǔn)成端到端對(duì)齊，并通過(guò)傾斜微器件通過(guò)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(wú)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(lái)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(duì)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(guò)功能和形式的多功能性來(lái)減少對(duì)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(lái)越多地使用這些工具來(lái)研究化學(xué)因素對(duì)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(jué)神經(jīng)元對(duì)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(jué)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(guò)控制這些集成的毛細(xì)管來(lái)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(guò)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(zhǎng)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(wú)法達(dá)到的通量提供刺激 未來(lái)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