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用于真菌和细菌分析的集成微流控系统的最新进展

2023-03-08 11:10:00

真菌和细菌是生态系统正常运转的关键因素。由于简单的细胞结构、快速的生长能力及成熟的基因操作，一些真菌和细菌（如酿酒酵母、大肠杆菌等）已作为模式生物被广泛用于细胞衰老、基因组学及代谢组学的研究。然而，细胞的异质性、环境胁迫适应机制、菌落内细胞相互作用等问题要求更灵活的研究方法实现细胞至亚细胞水平的分析。

微流控芯片，作为操作微尺度流体的高效平台，可集成梯度发生器、电极阵列和液滴生成结构等多种功能单元，用于捕获、固定和培养细胞，也可耦合荧光成像、拉曼光谱、电阻抗等检测技术获取细胞的生物物理特性和动态行为信息。

据麦姆斯咨询报道，基于上述技术，东南大学电子科学与工程学院、集成电路学院、MEMS教育部重点实验室朱真教授课题组发表了集成微流控系统在真菌和细菌生化分析研究进展的综述文章。

该综述文章详细介绍了用于真菌及细菌操纵的典型微流控结构，分析了检测技术的集成模式、优缺点及主要应用场景。结合不同的微流控结构和检测技术，总结了集成微流控系统在生物分子检测、表型分析、浓度测量及抗生素敏感性测试等方面的研究进展，给出了当前集成微流控系统的不足之处及未来发展趋势。

图1 集成功能单元及检测技术的微流控系统用于真菌和细菌分析

相关工作以“Recent advances of integrated microfluidic systems for fungal and bacterial analysis”（《用于真菌和细菌分析的集成微流控系统的最新进展》）为题发表在国际著名期刊TrAC-Trends in Analytical Chemistry上。

首先，作者们综述了三种用于真菌及细菌操纵的微流控结构。第一种是微流控通道，通常为交错网络结构，可结合流体动力、声场、光镊或其它物理场实现样品分离、聚焦、筛选。第二种是微屏障、微腔室等物理结构或生化探针表面形成捕获陷阱，用于固定样品并进行原位、实时跟踪观察。第三种是微液滴，通过同轴型、T型、流动聚焦型微流道结构包裹样品生成多种尺寸的油-水液滴，结合亲疏水图案、蛇形通道、圆形阱阵列等微结构捕获并孵育微液滴，或利用电极阵列实现液滴的可控融合。近几年兴起的多孔水凝胶微液滴允许液滴内外部之间的小分子双向传输，在液滴介质交换上具有显著的优越性。

图2 液滴微流控用于细菌和真菌的样品捕获、孵育、融合

随后，作者们综述了可集成于微流控系统的检测技术。主要包括：

（1）光学检测技术，如荧光检测、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱及比色生物传感，通常集成在芯片外部，实现宽范围化合物的非侵入式高灵敏检测。荧光检测技术是目前为止使用最广泛的分析技术。

（2）电阻抗传感，主要包括阻抗流式细胞仪（IFC）和电阻抗谱（EIS）。宽频段的阻抗谱可以揭示细胞、细胞膜、细胞器的生物物理信息。

（3）电离质谱法，主要通过电喷雾电离、基质辅助激光解吸离子化技术处理微流体，后引入质谱仪和离子迁移谱仪精准检测微量目标物。

（4）声表面波（SAW）传感器及微核磁共振技术的集成方式及应用也被探讨。

图3 电阻抗传感用于真菌和细菌的阻抗信号检测

此外，作者们总结了近三年集成细胞操纵和检测技术的微流控系统在细菌和真菌分析中的应用及研究进展：

（1）生物分子检测。微液滴的超高通量及高置信度细胞分离用于微生物的单细胞基因测序，称为Drop-Seq，其中聚合酶链式反应、多重置换扩增和环介导等温扩增技术用于获取足量的核酸。物理捕获陷阱、微液滴用于研究细胞壁跨膜蛋白、胞内核-液泡连接蛋白等生物分子对机械力、渗透压、营养底物环境压力的响应。微腔室及微液滴内真菌和细菌分泌的重组蛋白及代谢物也被成功定量分析。

（2）细胞表型分析。研究者采用荧光及电阻抗技术分析细胞的生长动力学参数变化，包括生长速率、细胞质量及体积、细胞隔膜环直径。渗透压相关蛋白、pH稳态蛋白、核孔复合体等与细胞衰老的关系也被深入研究。

（3）细胞浓度测量。该过程主要利用生化陷阱捕获细胞，结合电化学信号、荧光强度、比色反应测定目标菌体浓度。

（4）抗生素敏感测试（AST）。通过微阀、扩散-对流混合微流体、级联液滴结构、圣诞树结构等多功能模块集成的微流控芯片，缩短测试时间，提高灵敏度。

图4 真菌和细菌细胞的表型分析