探析液滴微流控技術(shù)在植物生物學領(lǐng)域的巨大潛力

據(jù)麥姆斯咨詢報道，多年來，科學家們一直缺乏合適的實驗工具用于植物細胞生物力學的研究。設(shè)計用于封裝單個細胞的微流控裝置市場已經(jīng)被證實在動物研究中擁有巨大的優(yōu)勢，現(xiàn)在也在植物生物學領(lǐng)域顯現(xiàn)出巨大的潛力。來自佛蒙特大學（University of Vermont）植物生物學系的研究人員正在利用這項技術(shù)加強對生物力學的研究，將原生質(zhì)體封裝到瓊脂糖凝膠中去，以精確控制單個植物細胞的物理微環(huán)境。

盡管細胞和組織力學在植物發(fā)育中的意義早已得到認可，但對植物細胞生物力學的研究仍舊存在挑戰(zhàn)。纖維素細胞壁的普遍存在和質(zhì)外體連續(xù)性賦予植物組織獨特的機械耦合水平。從理論上講，能夠幫助植物組織在多細胞距離上精確、瞬間傳遞應(yīng)力-機械信息。然而，質(zhì)體外連續(xù)性也使得單個細胞水平上的響應(yīng)解釋和機械變量的分離成為問題。

現(xiàn)在可以使用復雜的工具來研究植物的基因結(jié)構(gòu)和亞細胞過程，但是在細胞水平上研究植物生物力學則少之又少?？茖W家們試圖在受控機械環(huán)境下研究植物結(jié)構(gòu)，例如，通過光彈性建模，但這并不容易，因為任何組織水平的介入都會干擾系統(tǒng)的應(yīng)力機制?？茖W家們也嘗試用高速視頻顯微照相術(shù)來進行應(yīng)力釋放實驗，但是也非常難解釋。液滴微流控的曙光為操縱單個細胞的新方法打開了大門，將它們捕獲在各向同性和同質(zhì)的機械環(huán)境中，在這種環(huán)境下可以更有效地隔離變量。一旦封裝在水凝膠珠子中，細胞與受物理影響的相鄰細胞隔離，并且可以受機械力控制。

利用植物細胞生物力學的新方法

植物生物學系的早期研究主要集中在通過均質(zhì)油和水來人工生產(chǎn)液滴乳液，但成效有限。在開發(fā)投入商業(yè)使用的微流控液滴系統(tǒng)（Dolomite Microfluidics）之前，研究人員會繼續(xù)評估使用壓力驅(qū)動的霧化過程以生成液滴流，該系統(tǒng)能夠可靠且可重復地將單個細胞封裝在水凝膠珠子中。該系統(tǒng)允許植物生物學系采用新方法研究植物細胞生物力學，并將活的植物原生質(zhì)體封裝在精確尺寸的球形水凝膠珠子中。

原生質(zhì)體的分離和封裝

細胞壁不是均勻的各向同性環(huán)境。自然結(jié)構(gòu)化的一致取向使細胞成為細長條狀，限制其生長。在封裝之前，從懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)中除去細胞，并使用酶解除去細胞壁，由此除去生長物理屏障。產(chǎn)生的球形原生質(zhì)體不具備包含細胞壁的天然細胞內(nèi)在極性，可用于液滴封裝。

使用具有雙試劑、四通道玻璃連接芯片的微流控液滴系統(tǒng)生成瓊脂糖微珠

合成流體-礦物油加表面活性劑（連續(xù)相），培養(yǎng)基和瓊脂糖中活的原生質(zhì)體（分散相）被送入液滴芯片，瓊脂糖和原生質(zhì)體接觸，并在持續(xù)流動的礦物油交叉處立即裂解成液滴。液滴直徑通過調(diào)節(jié)不同相的流速來進行控制，產(chǎn)生單分散瓊脂糖液滴流，使微芯片進入冷卻的礦物油浴內(nèi)，并在此固化。從油中分離后，將微珠懸浮在培養(yǎng)基中，用于實驗研究以調(diào)查植物細胞生物力學，例如，細胞支架的變化響應(yīng)受控機械載荷的應(yīng)用。

打造堅實的基礎(chǔ)

最初的結(jié)果表明該技術(shù)有可能是支持植物生物力學研究的新方法，一秒內(nèi)生成130個大小一致的球形水凝膠珠子，并產(chǎn)生具有良好細胞活力的單個原生質(zhì)體的封裝。該物理系的研究人員正在著手進行下一階段的開發(fā)，優(yōu)化該過程以提高細胞存活率并加強瓊脂糖微珠。實現(xiàn)一致的細胞存活率是一大特別的挑戰(zhàn)，因為沒有細胞壁，原生質(zhì)體將變得特別脆弱。為了改善這一情況，實驗室目前正在試驗不同的油/表面活性劑組合和一種親氟微流控芯片。同時，該團隊正在尋找改變水凝膠珠子表面以提高抗張強度的方法。通常，隨著封裝細胞的生長，它們最終會通過瓊脂糖微珠破裂，加固微珠則可能會使發(fā)育中的細胞受到約束。解決上述問題的辦法之一是將聚合電解質(zhì)涂層疊加到水凝膠表面，生成可以滲透氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的微珠，其強度也足以抵抗細胞內(nèi)可能產(chǎn)生的高細胞膨壓。

前景光明

雖然微流控裝置已經(jīng)成功用于動物細胞的封裝，但直到最近才將這項技術(shù)應(yīng)用于植物生物學領(lǐng)域。在植物生物學領(lǐng)域，佛蒙特大學是該技術(shù)的早期采用者，并證明了微流控封裝的潛力，以支持研究植物生物力學的新方法，允許生成大小一致的球形水凝膠微珠，并封裝具有良好細胞活力的單個原生質(zhì)體。該系目前正基于取得的初步成功，優(yōu)化流程并嘗試進一步改善液滴微流控應(yīng)用于植物細胞生物學的方法。