用于研究完整模式生物的微流控工具

近年来科学家们开发出了很多新型微流控系统，研究者可以通过这些新型微流控系统在完整生物体中进行分析和实验，这项技术正在催化从人类健康到基础生物学原理等许多领域的生物学突破。近期来自卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员在Nature Communications杂志上发表了题为“Microfluidics for understanding model organisms”的综述文章，讨论了最近用于研究完整模式生物的微流控工具，展示了这些综合方法的当下应用和未来潜力，描述了这些微系统的技术特征，并强调了在固定、自动对准、分拣、感官刺激、机械刺激、遗传扰动、化学刺激和热扰动等领域精确操作的独特优势。  

图1 通过新型微流控方法实现模式生物研究的未来跨学科方向   研究人员从精确操作和受控刺激两个方面对应用于模式生物研究的微流控系统进行了综述讨论：  精确操作  用于精确操作模式生物的微流控系统可减少甚至消除手动处理的需求，可以始终如一地精确定位样品，进而实现更高的通量分析和处理。很多常见的生物学研究方法都要求研究人员对样本进行物理分类、对齐和/或固定，如显微镜检查、显微注射以及从群体中选择具有特定特征的个体。手动执行这些任务会引入用户可变性，且需要操作人员具备专业知识，并且通常这个过程非常耗时，从而导致较低的样本数量和较高的实验噪声。下文分析了用于以最少的用户干预以高通量固定、对齐和分拣样品的微流控系统。   1）固定： 固定活的生物个体对于许多实验至关重要。然而，传统的固定技术，如使用麻醉剂或粘合剂，通常对生物体有害、耗时、通量低、需要经验并会引入意想不到的变量。已经开发的微流控系统，大多通过物理限制、麻醉剂的受控输送或两者配合来实现样品固定，以解决这些长期存在的实验限制。例如Subendran等人最近的工作中开发了一种具有集成形状记忆合金致动器的微流控器件，用于在观察区域中固定斑马鱼，以检查尾部跳动产生的流体动力流动。Chaudhury等人的工作利用了较冷的温度和物理限制来麻醉并随后对果蝇幼虫进行成像。这些研究实例突出了微流控系统潜在的实现长期研究的能力。随着时间的延长，这些方法可以产生大量的数据集，从中可以收集到许多生物学数据。   2）自动对准： 模型生物的正确样品对齐对于成像，注射和外部刺激至关重要。在许多领域使用手动对准是非常具有挑战性的，自动对准的实现将实现高通量方法来标准化环境和刺激，这将对未来大有裨益。例如Zhang等人开发斑马鱼幼体器官注射显微注射系统，该系统使用V形电热微致动器精确地操纵斑马鱼胚胎，该执行器被集成到机器人显微操作系统中，以最小的变形轻轻定位和定向胚胎，以防止生理损伤。一般而言，设计具有多功能性和低使用门槛的系统将加快模式生物研究的步伐，并为比较生物学提供跨物种的实验范式。   3）分拣： 按发育年龄或其他表型对模式生物进行分类是许多实验的先决条件步骤，通常需要在选择感兴趣的表型时手动完成。例如，按发育阶段手动对样本进行分类是许多实验的常见先决条件。微流控系统可以实现传统手动分拣技术无法实现的规模分拣样品。例如Utharala等人创建了一个改进的微流控平台，其集成阀安装在荧光显微镜上，用于对表达荧光标记物的果蝇胚胎进行分类。运动生物使分拣任务更具挑战性。Mani和Chen最近的设计利用斑马鱼幼虫对光和声学的天生厌恶，以非侵入性地将幼虫围入特定的腔室中。这些方法将加速多个领域的发展，包括药物筛选、诱变分析以及其他类似的模式生物大规模研究，这些研究可以从这种自动化中受益。  

图2 用于精确操作模型生物的微流控系统实现更高的通量分析和处理  受控刺激  受控刺激可能是研究生物系统的有力方法。手动施加的刺激本质上是有限的，并且可能导致实验变异性，使得此类实验具有挑战性。微流控系统可以以高精度和以前无法达到的通量提供刺激，同时也使曾经费力的实验要求降低。现代微加工方法允许使用具有与实验系统相适应的特性的材料进行复杂的几何形状。此外，在小尺度上控制流量和梯度的能力提供了对实验参数的精细控制。下文讨论了与以下类别相关的微流控技术所支持的最新实验范式：感官刺激和行为分析、机械刺激、遗传扰动、化学刺激和热扰动。   1）感官刺激和行为分析： 高通量行为检测对于行为学研究和神经学基础研究很有价值。微流控系统实现的通量以及精确控制感觉刺激以及自动数据采集的能力使微流控系统成为模型生物神经学研究的有力工具。Vanwalleghem等人最近的一项设计强调了微流控与其他新兴技术相结合的潜力，为神经系统研究提供了全新的实验范式。他们利用微流控系统来刺激受控流动的鱼类，同时以非侵入性方式记录神经元放电，以研究斑马鱼中的哪些神经元负责检测或处理流体流动信息的特定特征。为了实现这一目标，该团队设计了一种与定制光片显微镜兼容的3D打印微流控器件，以刺激具有精确流动矢量的固定斑马鱼。此外，该团队利用机器学习方法来解码和分类特定刺激引发的神经元反应，以分析由此产生的大量数据集。通过微流控学与分子生物学，机器学习和显微镜学的新技术相结合，使该团队能够以新颖的方式更好地观察大脑网络的结构和功能。   2）机械刺激： 物理力在几乎所有生物体的发育和生理学中起着核心作用，如今移液器压痕、压电控制载玻片压缩和磁镊已被用于研究生物体对机械应力的反应。微流控系统可以产生不同模式的时空控制机械刺激，可用于新的定量测定，以更可控和高通量的方式检查机械应力的影响。例如，该综述作者所在团队开发了一种微流控系统，该系统可以自动将数百个果蝇胚胎沿其前后轴对准成端到端对齐，并通过倾斜微器件通过重力加载。这种设计和应用代表了微流控系统在以前无法实现的通量下为机械生物学研究产生精确机械刺激的能力。   3）遗传扰动： 由于基因表达水平、选择性剪接或表达定位的差异，将功能归因于基因通常很复杂，这可能导致明显的表型后果。为了实验研究基因的功能，生物学家通常依靠分子和荧光方法来调节或量化基因表达。然而，许多传统的遗传分析方法，在技术上很复杂，需要重复处理或注射样品，并且通量低，使得这些方法对于分析具有微妙表型结果的基因具有挑战性。为了解决这些局限性，Charles等人开发了一种微流控系统，能够捕获数百个秀丽隐杆线虫胚胎并快速实现有效的试剂交换，在该系统中轻松交换试剂的能力使研究人员能够以高效的方式执行洗涤、杂交、染色和固定在内的许多步骤。微流控系统可以通过功能和形式的多功能性来减少对遗传分析的手动要求，同时实现分析微妙遗传表型所需的统计高通量。   4）化学刺激： 使用微流控系统精确控制流量和产生梯度的能力使研究人员可以越来越多地使用这些工具来研究化学因素对生物系统的影响。例如Si等人开发了一种微流控器件，以可视化果蝇幼虫的嗅觉神经元对不同浓度下不同气味剂的反应，使用这种微流控系统结合三维多神经元成像，研究小组表征了嗅觉神经元在个体和群体水平上的反应。此外，Zabihihesari等人开发了一种具有集成玻璃毛细管和微针的新型微流控器件，可以通过控制这些集成的毛细管来轻轻地加载、定向和固定幼虫。一旦正确定位在设备中，幼虫就通过精确定位的微针和定制的输送系统注入化学物质。   5）热扰动： 温度影响所有物种的成长和发育时间。传统实验已经仔细描述了不同温度下模式生物的发展，但这些通常是慢性或均匀暴露于特殊温度下的研究结果。具有精确时空温度控制的微流控系统为感知和响应温度变化的生物学机制提供了宝贵的思路。例如Bai等人利用微流控装置，使用两个不同温度的层流流将果蝇胚胎暴露于胚胎前后轴的热梯度下，热梯度导致了沿胚胎轴的异步核分裂。这些研究突出了微流控控制流动状态的能力，以揭示新的生物学发现，并突出了微流控在模型生物体之间实现类似实验范式的能力。  

图3 微流控系统可以以高精度和以前无法达到的通量提供刺激  未来前景  这些工具为模式生物的更多定量研究打开了大门，为发育生物学、行为学、神经生物学、生物物理学和生物启发工程提供见解。利用微流控技术进行模式生物研究产生了新的生物学见解和实验方法，包括提高通量、自动样品操作、精确刺激、改善可重复性和改善便携性。生物学家和工程师之间持续的跨学科合作正在加速模式生物研究界采用这些工具的速度，并促进实现应用于模式生物研究的微流控系统的巨大潜力。   论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-30814-6    

审核编辑 ：李倩