微流控芯片在細(xì)胞研究中的多元化應(yīng)用

生物是一切具有新陳代謝的物體。狹義的生物是指傳統(tǒng)意義上獨立、能自主生存的物體，包括動物、植物和微生物。生物具有遺傳和變異的特征，能夠進(jìn)行生長、發(fā)育和繁殖，能適應(yīng)一定環(huán)境和改變環(huán)境，能對外界的刺激做出反應(yīng)。而細(xì)胞是大多數(shù)生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的微流控芯片技術(shù)在細(xì)胞研究上有廣泛的潛力，已引起人們極大的關(guān)注。目前，微流控芯片在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于微環(huán)境下的細(xì)胞應(yīng)答與細(xì)胞行為研究，其研究范圍涉及眾多的生物種類。下面我們從動物細(xì)胞、植物細(xì)胞以及微生物細(xì)胞這 3 個代表性方面對微流控芯片在細(xì)胞生物學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

一、動物細(xì)胞芯片

微流控芯片技術(shù)在動物細(xì)胞的應(yīng)用研究非常廣泛，尤其是哺乳動物細(xì)胞。除基本的細(xì)胞培養(yǎng)以外，研究者還開展了大量基于微流控芯片的正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞操作、分析及其實踐應(yīng)用研究，包括細(xì)胞分類、細(xì)胞融合、單細(xì)胞捕獲與基因分析、細(xì)胞與微環(huán)境相互作用、 高通量藥物篩選等。大量基于微流控芯片的細(xì)胞分析應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，極大地提高了細(xì)胞分析效率。例如，Sugiura 等制備了一種平行陣列式微腔細(xì)胞芯片，可同時開展 7 種抗腫瘤藥物對人宮頸癌 Hela 細(xì)胞的抗癌作用研究。

二、植物細(xì)胞芯片

植物界的種類形形色色、千差萬別。與動物相類似，高等植物個體亦是由大量細(xì)胞構(gòu)成。各種細(xì)胞之間有機能上的分工以及形態(tài)結(jié)構(gòu)上的分化，相互依存、協(xié)作，共同維持整個有機體的正常生命活動。目前涉及微流控芯片技術(shù)在植物細(xì)胞中的研究報道甚少，但是植物細(xì)胞與動物細(xì)胞有很多相通之處，例如植物的原生質(zhì)體（即去除細(xì)胞壁的植物細(xì)胞）和哺乳動物細(xì)胞有很多相似之處，可以攝入細(xì)胞器、微粒體、病毒以及DNA等大分子物質(zhì)，常常被用于進(jìn)行開展各種膜生物學(xué)以及基于細(xì)胞融合技術(shù)的植物育種研究。2010年武恒研究所首次采用PEU化學(xué)融合的方法，實現(xiàn)小白菜無菌苗子葉原生質(zhì)體及煙草葉肉原生質(zhì)體的微流控芯片融合。

三、微生物芯片

微生物包括細(xì)菌、真菌等一大類生物群體，它與人類生活有著密切的關(guān)系。微生物涵蓋了有益、有害的眾多種類，廣泛涉及人體健康、食品制造與安全、醫(yī)藥和醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。目前，微流控芯片在微生物的應(yīng)用研究主要包括兩類: 一類是對微生物本身特性、行為學(xué)和個體組分分析等研究（見下圖），如 Kim 等使用一種濃度梯度芯片開展了基于細(xì)菌生物膜的多種不同抗生素藥物敏感性實驗研究。另一類則是對微生物本身特性、行為學(xué)和個體組分分析研究，例如 Whitesides 課題組利用芯片微管道開展的關(guān)于大腸桿菌運動行為研究。