微流控芯片在細胞研究中的多元化應用

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，能夠進行生長、發(fā)育和繁殖，能適應一定環(huán)境和改變環(huán)境，能對外界的刺激做出反應。而細胞是大多數(shù)生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。20世紀90年代發(fā)展起來的微流控芯片技術(shù)在細胞研究上有廣泛的潛力，已引起人們極大的關(guān)注。目前，微流控芯片在細胞生物學領(lǐng)域的應用主要集中于微環(huán)境下的細胞應答與細胞行為研究，其研究范圍涉及眾多的生物種類。下面我們從動物細胞、植物細胞以及微生物細胞這 3 個代表性方面對微流控芯片在細胞生物學研究領(lǐng)域的應用進行闡述。

一、動物細胞芯片

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

二、植物細胞芯片

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胞構(gòu)成。各種細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)在植物細胞中的研究報道甚少，但是植物細胞與動物細胞有很多相通之處，例如植物的原生質(zhì)體（即去除細胞壁的植物細胞）和哺乳動物細胞有很多相似之處，可以攝入細胞器、微粒體、病毒以及DNA等大分子物質(zhì)，常常被用于進行開展各種膜生物學以及基于細胞融合技術(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用研究主要包括兩類: 一類是對微生物本身特性、行為學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。