用于真菌和細(xì)菌分析的集成微流控系統(tǒng)的最新進(jìn)展

真菌和細(xì)菌是生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。由于簡單的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、快速的生長能力及成熟的基因操作，一些真菌和細(xì)菌（如釀酒酵母、大腸桿菌等）已作為模式生物被廣泛用于細(xì)胞衰老、基因組學(xué)及代謝組學(xué)的研究。然而，細(xì)胞的異質(zhì)性、環(huán)境脅迫適應(yīng)機(jī)制、菌落內(nèi)細(xì)胞相互作用等問題要求更靈活的研究方法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞至亞細(xì)胞水平的分析。

微流控芯片，作為操作微尺度流體的高效平臺，可集成梯度發(fā)生器、電極陣列和液滴生成結(jié)構(gòu)等多種功能單元，用于捕獲、固定和培養(yǎng)細(xì)胞，也可耦合熒光成像、拉曼光譜、電阻抗等檢測技術(shù)獲取細(xì)胞的生物物理特性和動態(tài)行為信息。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于上述技術(shù)，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院、集成電路學(xué)院、MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱真教授課題組發(fā)表了集成微流控系統(tǒng)在真菌和細(xì)菌生化分析研究進(jìn)展的綜述文章。

該綜述文章詳細(xì)介紹了用于真菌及細(xì)菌操縱的典型微流控結(jié)構(gòu)，分析了檢測技術(shù)的集成模式、優(yōu)缺點(diǎn)及主要應(yīng)用場景。結(jié)合不同的微流控結(jié)構(gòu)和檢測技術(shù)，總結(jié)了集成微流控系統(tǒng)在生物分子檢測、表型分析、濃度測量及抗生素敏感性測試等方面的研究進(jìn)展，給出了當(dāng)前集成微流控系統(tǒng)的不足之處及未來發(fā)展趨勢。

圖1 集成功能單元及檢測技術(shù)的微流控系統(tǒng)用于真菌和細(xì)菌分析

相關(guān)工作以“Recent advances of integrated microfluidic systems for fungal and bacterial analysis”（《用于真菌和細(xì)菌分析的集成微流控系統(tǒng)的最新進(jìn)展》）為題發(fā)表在國際著名期刊TrAC-Trends in Analytical Chemistry上。

首先，作者們綜述了三種用于真菌及細(xì)菌操縱的微流控結(jié)構(gòu)。第一種是微流控通道，通常為交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可結(jié)合流體動力、聲場、光鑷或其它物理場實(shí)現(xiàn)樣品分離、聚焦、篩選。第二種是微屏障、微腔室等物理結(jié)構(gòu)或生化探針表面形成捕獲陷阱，用于固定樣品并進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)跟蹤觀察。第三種是微液滴，通過同軸型、T型、流動聚焦型微流道結(jié)構(gòu)包裹樣品生成多種尺寸的油-水液滴，結(jié)合親疏水圖案、蛇形通道、圓形阱陣列等微結(jié)構(gòu)捕獲并孵育微液滴，或利用電極陣列實(shí)現(xiàn)液滴的可控融合。近幾年興起的多孔水凝膠微液滴允許液滴內(nèi)外部之間的小分子雙向傳輸，在液滴介質(zhì)交換上具有顯著的優(yōu)越性。

圖2 液滴微流控用于細(xì)菌和真菌的樣品捕獲、孵育、融合

隨后，作者們綜述了可集成于微流控系統(tǒng)的檢測技術(shù)。主要包括：

（1）光學(xué)檢測技術(shù)，如熒光檢測、傅里葉變換紅外光譜、拉曼光譜及比色生物傳感，通常集成在芯片外部，實(shí)現(xiàn)寬范圍化合物的非侵入式高靈敏檢測。熒光檢測技術(shù)是目前為止使用最廣泛的分析技術(shù)。

（2）電阻抗傳感，主要包括阻抗流式細(xì)胞儀（IFC）和電阻抗譜（EIS）。寬頻段的阻抗譜可以揭示細(xì)胞、細(xì)胞膜、細(xì)胞器的生物物理信息。

（3）電離質(zhì)譜法，主要通過電噴霧電離、基質(zhì)輔助激光解吸離子化技術(shù)處理微流體，后引入質(zhì)譜儀和離子遷移譜儀精準(zhǔn)檢測微量目標(biāo)物。

（4）聲表面波（SAW）傳感器及微核磁共振技術(shù)的集成方式及應(yīng)用也被探討。

圖3 電阻抗傳感用于真菌和細(xì)菌的阻抗信號檢測

此外，作者們總結(jié)了近三年集成細(xì)胞操縱和檢測技術(shù)的微流控系統(tǒng)在細(xì)菌和真菌分析中的應(yīng)用及研究進(jìn)展：

（1）生物分子檢測。微液滴的超高通量及高置信度細(xì)胞分離用于微生物的單細(xì)胞基因測序，稱為Drop-Seq，其中聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、多重置換擴(kuò)增和環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)用于獲取足量的核酸。物理捕獲陷阱、微液滴用于研究細(xì)胞壁跨膜蛋白、胞內(nèi)核-液泡連接蛋白等生物分子對機(jī)械力、滲透壓、營養(yǎng)底物環(huán)境壓力的響應(yīng)。微腔室及微液滴內(nèi)真菌和細(xì)菌分泌的重組蛋白及代謝物也被成功定量分析。

（2）細(xì)胞表型分析。研究者采用熒光及電阻抗技術(shù)分析細(xì)胞的生長動力學(xué)參數(shù)變化，包括生長速率、細(xì)胞質(zhì)量及體積、細(xì)胞隔膜環(huán)直徑。滲透壓相關(guān)蛋白、pH穩(wěn)態(tài)蛋白、核孔復(fù)合體等與細(xì)胞衰老的關(guān)系也被深入研究。

（3）細(xì)胞濃度測量。該過程主要利用生化陷阱捕獲細(xì)胞，結(jié)合電化學(xué)信號、熒光強(qiáng)度、比色反應(yīng)測定目標(biāo)菌體濃度。

（4）抗生素敏感測試（AST）。通過微閥、擴(kuò)散-對流混合微流體、級聯(lián)液滴結(jié)構(gòu)、圣誕樹結(jié)構(gòu)等多功能模塊集成的微流控芯片，縮短測試時(shí)間，提高靈敏度。

圖4 真菌和細(xì)菌細(xì)胞的表型分析

最后，作者們分析了目前數(shù)據(jù)處理、細(xì)胞生理活動監(jiān)測等方面的不足，并提出在未來人工智能（AI）工具，如機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)建模，將結(jié)合微流控系統(tǒng)以更全面的角度分析真菌和細(xì)菌的生物物理特性及動態(tài)行為變化。

審核編輯：劉清