人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）內(nèi)的神經(jīng)回路由具有不同生物物理和功能特征的興奮性/抑制性神經(jīng)元細(xì)胞形成。鑒于神經(jīng)回路的復(fù)雜性，繪制大腦的解剖和功能特征對(duì)于神經(jīng)生物學(xué)家來說仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。微流控技術(shù)和微制造技術(shù)已被廣泛用于開發(fā)具有集成神經(jīng)細(xì)胞大小的微通道的復(fù)雜裝置。

此外，許多微流控裝置也與光學(xué)和電生理學(xué)技術(shù)兼容，使得單個(gè)神經(jīng)元能夠被監(jiān)測(cè)和操縱。近日，來自德國(guó)波恩大學(xué)的Volker Busskamp團(tuán)隊(duì)回顧了利用微流控技術(shù)進(jìn)行不同類型神經(jīng)元細(xì)胞分選以及神經(jīng)回路構(gòu)建和分析的研究進(jìn)展。




圖1 微流控平臺(tái)的多種應(yīng)用：從中樞神經(jīng)系統(tǒng)細(xì)胞的表征到體外神經(jīng)元細(xì)胞分選和神經(jīng)回路設(shè)計(jì)

首先，研究人員介紹了各種基于微流控技術(shù)的細(xì)胞分選策略。例如，通過使用粘彈性調(diào)諧和調(diào)節(jié)微通道中的液體流速，已經(jīng)分離出來自大鼠脊髓的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（圖2a）。利用慣性微流控平臺(tái)在蛇形通道中分離初級(jí)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（圖2b）。具有螺旋形通道的慣性微流控裝置也已用于從大細(xì)胞群中分離神經(jīng)元細(xì)胞（圖2c）。

除了利用流體流動(dòng)來分離細(xì)胞之外，電泳和聲學(xué)電泳方法也可以與微流控平臺(tái)集成用于細(xì)胞分選（圖2d-e）。



圖2 基于微流控技術(shù)的不同細(xì)胞分選策略

其次，研究人員總結(jié)了微流控技術(shù)對(duì)scRNA測(cè)序技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。對(duì)于單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，第一步是在微升或納升反應(yīng)體積中分離單個(gè)細(xì)胞。

后者主要通過使用流式細(xì)胞熒光分選技術(shù)（FACS）、基于集成閥門或液滴的微流控系統(tǒng)或基于微流控技術(shù)的高密度微孔板來實(shí)現(xiàn)（圖3）。此外，先進(jìn)的多模式微流控平臺(tái)正試圖在scRNA-Seq實(shí)驗(yàn)中納入評(píng)估生理異質(zhì)性的選項(xiàng)：可以根據(jù)細(xì)胞的分子特征，或根據(jù)其生理特性繪制細(xì)胞圖。



圖3 微流控技術(shù)對(duì)scRNA測(cè)序技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)

隨后，研究人員介紹了利用微流控梯度發(fā)生器構(gòu)建神經(jīng)元細(xì)胞生態(tài)位的相關(guān)工作。研究揭示通過使用較小尺寸的微通道可以增加神經(jīng)元干細(xì)胞的分化速率，表明新鮮培養(yǎng)基的連續(xù)供應(yīng)對(duì)于神經(jīng)元干細(xì)胞的維持是至關(guān)重要的。目前，微流控技術(shù)已被用于影響多種神經(jīng)元功能，如促使未分化神經(jīng)突變成樹突的同時(shí)阻止軸突分化和生長(zhǎng)；提高軸突導(dǎo)向效率；測(cè)試軸突對(duì)淺和陡引誘物梯度的反應(yīng)；引導(dǎo)軸突錐體生長(zhǎng)等。

此外，還可以利用微流控裝置來同時(shí)提供連續(xù)和不連續(xù)的化學(xué)梯度，或者將它們與物理線索如表面圖案和結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以提供更真實(shí)的體內(nèi)微環(huán)境模型（圖4）。



圖4 利用微流控梯度發(fā)生器構(gòu)建神經(jīng)元細(xì)胞生態(tài)位

最后，研究人員梳理了用于不同神經(jīng)元回路設(shè)計(jì)的微流控技術(shù)。主要包括用于軸突導(dǎo)向的微流控技術(shù)、用于神經(jīng)突分離和功能評(píng)估的微流控技術(shù)和用于分離樹突和突觸的微流控技術(shù)（圖5a-d）。




圖5 基于微流控技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)元回路構(gòu)建的主要方法

總體而言，微流控技術(shù)的進(jìn)步使我們能夠加深對(duì)細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)和功能的理解，最終為更準(zhǔn)確地在體外模擬神經(jīng)退行性和發(fā)育性疾病以及開發(fā)先進(jìn)的細(xì)胞替代療法提供關(guān)鍵信息。



審核編輯：劉清