微流控技术：生物学的液体革命
2024-03-03 08:39:43 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

微流控系统极大地帮助了研究人员探索结构生物学的应用，例如蛋白质结晶、芯片实验室等。这项技术为许多科学发现提供了动力，同时也彻底改变了单细胞生物学领域。

微流控系统提供了一种处理小体积液体的平台，促进了细胞和分子研究的进步，从而重新定义了生物学。

微流控技术：生物学的液体革命

据麦姆斯咨询介绍，Stephen Quake是美国斯坦福大学（Stanford University）的一名生物工程师和应用物理学家，他一直对物理学和生物学之间的联系很感兴趣。20世纪90年代末，在加州理工学院（California Institute of Technology）工作期间，他主要从事DNA研究。然而，Stephen Quake对工作台上耗时的研究过程感到沮丧。相对地，他对新兴的自动化技术很感兴趣，想知道如何才能摆脱手动移液操作的束缚。

Stephen Quake想知道答案是否就在软光刻技术中，这是20世纪90年代末由哈佛大学（Harvard University）George Whitesides团队开发的一种使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的方法。这种材料因具有机械灵活性、低成本和易于批量生产等优点，很快被应用到微流控器件中，这种微型芯片在生命科学领域越来越受欢迎。最重要的是，PDMS的高透明度意味着它适用于光学显微镜，这使得基于PDMS的微流控器件在生物应用中特别具有吸引力。

由于PDMS的优点，Stephen Quake试图用这种材料制造微阀和微泵，以期使研究人员能够在微流控芯片内实现高度自动化。作为George Whitesides开发的软光刻技术的延伸，Stephen Quake和他的同事们设计出了由PDMS制造而成的MEMS机械阀，并将其命名为Quake阀。这种设计将微阀集成到双层PDMS微流控芯片上。在这种双层微流控芯片中，液体将从下层通道穿流而过，而上层通道与下层通道呈垂直关系。当在压力下启动时，上层通道会切断其下方通道的液体（就像踩在花园水管上一样）。而在压力释放后，下层通道将重新打开。

这些微阀的设计改进了传统的方法：它们为自动化提供了一个强大的平台。例如，Stephen Quake将这些气动微阀集成到微流控芯片上，在不依赖DNA凝胶电泳的情况下，轻松实现了DNA分子的分离和分选。此外，通过这项技术的集成，Stephen Quake和他的团队还简化了细胞分选过程，并成功在微流控芯片上实现了聚合酶链式反应。

此外，微流控系统极大地帮助了研究人员探索结构生物学的应用，例如蛋白质结晶、芯片实验室等。这项技术为许多科学发现提供了动力，同时也彻底改变了单细胞生物学领域。

微流控、单细胞和DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定（DamID）技术

2009年，单细胞基因组学技术问世，研究人员可以扩增单细胞的转录组，但缺乏高通量捕获和分析细胞的自动化技术。“最大的障碍是如何使这些技术突破只能应用于分析少量细胞的特定实验的局限，实现大规模应用。微流控通道使我们能够做到这一点。”Stephen Quake解释说。

人类基因组计划受益于这些功能强大的微流控平台。该项目在20世纪90年代末和21世纪初持续进行，研究人员面临着一项艰巨的挑战：对数百万个细胞进行测序。微流控技术为这项耗费大量人力和时间的任务提供了解决方案。微流控技术的自动化是帮助研究人员收集基因组数据的关键因素，它使DNA测序工作变得更快、更简单，而价格仅为原来的一小部分。

此外，微阀、微孔和微液滴平台等子领域迅速崛起，大大提高了单细胞测序技术的可扩展性和通量。目前，这些不同的技术有助于绘制人类细胞图谱，该图谱旨在识别和编目所有人类细胞类型以及健康和疾病中的细胞状态。

自动微孔阵列平台的工作流程（左列）和多个检查点（右列）示意图（未按比例绘制）

“细胞有数万亿个，我们在单细胞水平上探索细胞多样性的程度越高，就越能了解细胞状态的连续性和复杂性。”加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）生物工程师Aaron Streets说道。“如果没有微流控技术，捕获足够多的单细胞来创建人类细胞图谱将是一件无法想象的事情。”

Aaron Streets利用微流控技术进行单细胞基因组分析的尝试始于2010年代中期。虽然测序技术提供了有价值的信息，但Aaron Streets希望在描述细胞特征时获得更全面的信息。因此，他将光学测量和基因组测量结合起来，以了解基因组信息与细胞外观之间的关系。

Aaron Streets开发了一种名为μDamID的新技术。这种方法改进自DNA腺嘌呤甲基转移酶鉴定（DamID）技术，能够在微流控芯片上进行单细胞分选，并收集基因组材料进行测序。

μDamID将用于获取测序数据和空间成像数据的两种方法结合使用。首先，研究人员用m6A-Tracer标记细胞，m6A-Tracer是一种融合蛋白，含有绿色荧光蛋白和与甲基化位点结合的结构域。然后，研究人员在微流控平台上对细胞进行单独分离、成像和分类。为了观察这些相互作用在细胞核中的空间位置，Aaron Streets使用了荧光显微镜。

成像之后，研究人员进行了DamID，这依赖于识别DNA分子上存在的蛋白质-DNA相互作用的化学信号记录。在DamID过程中，甲基将沿着DNA分子进行沉积，起到化学信号追踪的作用。研究人员选择性地放大这一信号进行分析，以绘制出蛋白质-DNA相互作用的序列位置图。此外，研究人员在微流控芯片上进行DNA采集，并随后在芯片外进行DNA测序。这项技术提高了研究人员绘制蛋白质-DNA结合图谱的能力，以帮助科研人员研究DNA在细胞核中是如何被调控的，其主要优势是将单个细胞的成像和测序数据联系起来。

由于μDamID专注于短线程测序，Aaron Streets开发了另一种名为DiMeLo-seq的方法来评估长线程测序数据。他的团队将继续开发新的多模态测量工具，让研究人员深入了解生物系统，而这是以前的传统方法无法实现的。

辅助诊断的微流控芯片实验室装置

在改进了实验室工作台上的细胞培养方法的同时，微流控芯片在医学领域的应用也不甘落后。微流控器件很快就进入了病理生理学、药物研发和即时诊断领域。

美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）电气工程师Joel Voldman对细胞的电特性非常着迷。“这些特性很有参考价值，因为如果你想分辨病理状态和非病理状态，那么电特性可能会有差异。”Joel Voldman解释说。

为了将自己的知识应用于诊断，他开始设计一种测量这些差异的方法。他们与从事研究工作的医生合作开发了一种微流控芯片实验室，可以量化循环活化白细胞的数量，用于快速监测败血症。

利用细胞电泳监测败血症

为了表征白细胞的内在电特性，研究团队使从败血症模型小鼠身上获得的细胞悬浮液穿流过微流控芯片。这些细胞从微流控通道中穿过，在位于细胞上方和下方的通道处皆放置有电极，以用于引导细胞穿过电导梯度。电极产生的介电泳力使细胞在穿过通道时远离壁面。根据细胞的电特性，它们会移动到不同的等介电位置（IDP）。这些IDP决定了细胞的分布，研究人员利用成像软件对活化和非活化白细胞的分布进行了可视化。这项工作与传统的流式细胞术分析相关联，Joel Voldman后来开发了一个评估平台，作为这项工作的延伸，以对健康的人类志愿者和患有败血症的志愿者进行分析。

用于蠕虫分析的封闭式微流控腔室

当蠕虫研究人员意识到他们已经找到了进行活体蠕虫研究的完美腔室时，微流控技术的影响已经超越了细胞和分子。

乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）化学和生物分子工程师Hang Lu对研究秀丽隐杆线虫的感觉运动行为很感兴趣。她经常测试食物浓度和信息素暴露等不同刺激条件对秀丽隐杆线虫的影响。

“最棘手的部分是，由于这种小生物体经常蠕动，因此很难获得精确的刺激。”Hang Lu解释说。由于蠕虫体型小，容易躲避刺激，Hang Lu为他们的蠕虫实验设计了一种名为蠕虫芯片（worm-on-a-chip）的微流控系统。

在一项研究中，Hang Lu研究了微环境如何影响秀丽隐杆线虫的长期发育。在正常条件下，秀丽隐杆线虫幼虫会发育成具有生殖能力的成虫。然而，在不利的条件下，幼虫会发育进入另一种称为“耐久型（dauer）”的生长阶段。这种幼虫生长停滞，行动迟缓。

具有时空控制微环境的微流控平台，用于研究秀丽隐杆线虫的长期发育停滞

通过利用四个生长室，研究人员开发的微流控平台可以轻松容纳多达50只处于从幼虫阶段到具有生殖能力的成虫阶段的秀丽隐杆线虫。此外，这种微流控平台使研究人员能够精确控制多种刺激，例如食物输送、信息素输送和温度。

通过向生长室注入不同浓度的食物和信息素，研究人员利用显微照片观察了秀丽隐杆线虫在150小时内的发育阶段。生长室的显微照片图像显示，秀丽隐杆线虫幼虫根据食物和信息素暴露情况，要么发育成足虫，要么发育成生殖成虫。低浓度的食物和长时间的信息素暴露会促进发育中的幼虫进入耐久型阶段。

总而言之，将不同模式与大小迥异的样本进行整合的便利性促进了微流控技术的进步。“这是一个很好的工具，我们将会看到一些很好的生物学成果。”Hang Lu评论说。

3D打印微流控器件

随着微流控技术新功能的不断扩展，对新材料的需求也随之增加。George Whitesides在开发出PDMS后，鼓励其他人也开始使用这些技术。华盛顿大学（University of Washington）生物工程师Albert Folch回忆了PDMS的开发和他本人对PDMS的使用如何激发了他对细胞培养和癌症诊断应用中微流控材料特性的兴趣。

每种材料都有不同的特性需要考虑：生物相容性、透明度、可制造性和弹性。2013年，Albert Folch偶然收到了一本宣传3D打印微流控器件的小册子。这让他对微流控器件的数字化制造大开眼界。“在过去的二十年里，人们已经利用数字技术制造了很多其他东西，从汽车到房屋，无所不包，但他们还没有以系统的方式持续地用数字技术制造微流控器件。”Albert Folch解释说。

3D打印微流控器件之所以吸引Albert Folch，是因为它具有快速商业化的潜力。另一个吸引力是它能够轻松开发出具有复杂设计的微流控芯片。Albert Folch的团队开始使用各种树脂来3D打印微流控器件，这些树脂具有与PDMS相似的优点。他们希望这些材料具有透明度和生物相容性等特性。然而，3D打印树脂在生物相容性方面还没有达到类似PDMS技术的成熟度。全面优化这些材料还需要时间，但是Albert Folch对3D打印技术在微流控领域的发展持乐观态度。

透明生物微流控装置的3D打印