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

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)獲取細胞的生物物理特性和動態(tài)行為信息。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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教育部重點實驗室朱真教授課題組發(fā)表了集成微流控系統(tǒng)在真菌和細菌生化分析研究進展的綜述文章。

該綜述文章詳細介紹了用于真菌及細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展，給出了當前集成微流控系統(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”（《用于真菌和細菌分析的集成微流控系統(tǒng)的最新進展》）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，用于固定樣品并進行原位、實時跟蹤觀察。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胞儀（IFC）和電阻抗譜（EIS）。寬頻段的阻抗譜可以揭示細胞、細胞膜、細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檢測微量目標物。

（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菌的阻抗信號檢測

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

（1）生物分子檢測。微液滴的超高通量及高置信度細胞分離用于微生物的單細胞基因測序，稱為Drop-Seq，其中聚合酶鏈式反應(yīng)、多重置換擴增和環(huán)介導(dǎo)等溫擴增技術(shù)用于獲取足量的核酸。物理捕獲陷阱、微液滴用于研究細胞壁跨膜蛋白、胞內(nèi)核-液泡連接蛋白等生物分子對機械力、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)真菌和細菌分泌的重組蛋白及代謝物也被成功定量分析。

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

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

（4）抗生素敏感測試（AST）。通過微閥、擴散-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，縮短測試時間，提高靈敏度。

圖4 真菌和細菌細胞的表型分析

最后，作者們分析了目前數(shù)據(jù)處理、細胞生理活動監(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菌的生物物理特性及動態(tài)行為變化。

審核編輯：劉清