近年來科學家們開發出了很多新型微流控系統，研究者可以通過這些新型微流控系統在完整生物體中進行分析和實驗，這項技術正在催化從人類健康到基礎生物學原理等許多領域的生物學突破。近期來自卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的研究人員在Nature Communications雜志上發表了題為“Microfluidics for understanding model organisms”的綜述文章，討論了最近用于研究完整模式生物的微流控工具，展示了這些綜合方法的當下應用和未來潛力，描述了這些微系統的技術特征，并強調了在固定、自動對準、分揀、感官刺激、機械刺激、遺傳擾動、化學刺激和熱擾動等領域精確操作的獨特優勢。

圖1通過新型微流控方法實現模式生物研究的未來跨學科方向 研究人員從精確操作和受控刺激兩個方面對應用于模式生物研究的微流控系統進行了綜述討論： 精確操作 用于精確操作模式生物的微流控系統可減少甚至消除手動處理的需求，可以始終如一地精確定位樣品，進而實現更高的通量分析和處理。很多常見的生物學研究方法都要求研究人員對樣本進行物理分類、對齊和/或固定，如顯微鏡檢查、顯微注射以及從群體中選擇具有特定特征的個體。手動執行這些任務會引入用戶可變性，且需要操作人員具備專業知識，并且通常這個過程非常耗時，從而導致較低的樣本數量和較高的實驗噪聲。下文分析了用于以最少的用戶干預以高通量固定、對齊和分揀樣品的微流控系統。 1）固定： 固定活的生物個體對于許多實驗至關重要。然而，傳統的固定技術，如使用麻醉劑或粘合劑，通常對生物體有害、耗時、通量低、需要經驗并會引入意想不到的變量。已經開發的微流控系統，大多通過物理限制、麻醉劑的受控輸送或兩者配合來實現樣品固定，以解決這些長期存在的實驗限制。例如Subendran等人最近的工作中開發了一種具有集成形狀記憶合金致動器的微流控器件，用于在觀察區域中固定斑馬魚，以檢查尾部跳動產生的流體動力流動。Chaudhury等人的工作利用了較冷的溫度和物理限制來麻醉并隨后對果蠅幼蟲進行成像。這些研究實例突出了微流控系統潛在的實現長期研究的能力。隨著時間的延長，這些方法可以產生大量的數據集，從中可以收集到許多生物學數據。 2）自動對準： 模型生物的正確樣品對齊對于成像，注射和外部刺激至關重要。在許多領域使用手動對準是非常具有挑戰性的，自動對準的實現將實現高通量方法來標準化環境和刺激，這將對未來大有裨益。例如Zhang等人開發斑馬魚幼體器官注射顯微注射系統，該系統使用V形電熱微致動器精確地操縱斑馬魚胚胎，該執行器被集成到機器人顯微操作系統中，以最小的變形輕輕定位和定向胚胎，以防止生理損傷。一般而言，設計具有多功能性和低使用門檻的系統將加快模式生物研究的步伐，并為比較生物學提供跨物種的實驗范式。 3）分揀： 按發育年齡或其他表型對模式生物進行分類是許多實驗的先決條件步驟，通常需要在選擇感興趣的表型時手動完成。例如，按發育階段手動對樣本進行分類是許多實驗的常見先決條件。微流控系統可以實現傳統手動分揀技術無法實現的規模分揀樣品。例如Utharala等人創建了一個改進的微流控平臺，其集成閥安裝在熒光顯微鏡上，用于對表達熒光標記物的果蠅胚胎進行分類。運動生物使分揀任務更具挑戰性。Mani和Chen最近的設計利用斑馬魚幼蟲對光和聲學的天生厭惡，以非侵入性地將幼蟲圍入特定的腔室中。這些方法將加速多個領域的發展，包括藥物篩選、誘變分析以及其他類似的模式生物大規模研究，這些研究可以從這種自動化中受益。

圖2用于精確操作模型生物的微流控系統實現更高的通量分析和處理 受控刺激 受控刺激可能是研究生物系統的有力方法。手動施加的刺激本質上是有限的，并且可能導致實驗變異性，使得此類實驗具有挑戰性。微流控系統可以以高精度和以前無法達到的通量提供刺激，同時也使曾經費力的實驗要求降低。現代微加工方法允許使用具有與實驗系統相適應的特性的材料進行復雜的幾何形狀。此外，在小尺度上控制流量和梯度的能力提供了對實驗參數的精細控制。下文討論了與以下類別相關的微流控技術所支持的最新實驗范式：感官刺激和行為分析、機械刺激、遺傳擾動、化學刺激和熱擾動。 1）感官刺激和行為分析： 高通量行為檢測對于行為學研究和神經學基礎研究很有價值。微流控系統實現的通量以及精確控制感覺刺激以及自動數據采集的能力使微流控系統成為模型生物神經學研究的有力工具。Vanwalleghem等人最近的一項設計強調了微流控與其他新興技術相結合的潛力，為神經系統研究提供了全新的實驗范式。他們利用微流控系統來刺激受控流動的魚類，同時以非侵入性方式記錄神經元放電，以研究斑馬魚中的哪些神經元負責檢測或處理流體流動信息的特定特征。為了實現這一目標，該團隊設計了一種與定制光片顯微鏡兼容的3D打印微流控器件，以刺激具有精確流動矢量的固定斑馬魚。此外，該團隊利用機器學習方法來解碼和分類特定刺激引發的神經元反應，以分析由此產生的大量數據集。通過微流控學與分子生物學，機器學習和顯微鏡學的新技術相結合，使該團隊能夠以新穎的方式更好地觀察大腦網絡的結構和功能。 2）機械刺激： 物理力在幾乎所有生物體的發育和生理學中起著核心作用，如今移液器壓痕、壓電控制載玻片壓縮和磁鑷已被用于研究生物體對機械應力的反應。微流控系統可以產生不同模式的時空控制機械刺激，可用于新的定量測定，以更可控和高通量的方式檢查機械應力的影響。例如，該綜述作者所在團隊開發了一種微流控系統，該系統可以自動將數百個果蠅胚胎沿其前后軸對準成端到端對齊，并通過傾斜微器件通過重力加載。這種設計和應用代表了微流控系統在以前無法實現的通量下為機械生物學研究產生精確機械刺激的能力。 3）遺傳擾動： 由于基因表達水平、選擇性剪接或表達定位的差異，將功能歸因于基因通常很復雜，這可能導致明顯的表型后果。為了實驗研究基因的功能，生物學家通常依靠分子和熒光方法來調節或量化基因表達。然而，許多傳統的遺傳分析方法，在技術上很復雜，需要重復處理或注射樣品，并且通量低，使得這些方法對于分析具有微妙表型結果的基因具有挑戰性。為了解決這些局限性，Charles等人開發了一種微流控系統，能夠捕獲數百個秀麗隱桿線蟲胚胎并快速實現有效的試劑交換，在該系統中輕松交換試劑的能力使研究人員能夠以高效的方式執行洗滌、雜交、染色和固定在內的許多步驟。微流控系統可以通過功能和形式的多功能性來減少對遺傳分析的手動要求，同時實現分析微妙遺傳表型所需的統計高通量。 4）化學刺激： 使用微流控系統精確控制流量和產生梯度的能力使研究人員可以越來越多地使用這些工具來研究化學因素對生物系統的影響。例如Si等人開發了一種微流控器件，以可視化果蠅幼蟲的嗅覺神經元對不同濃度下不同氣味劑的反應，使用這種微流控系統結合三維多神經元成像，研究小組表征了嗅覺神經元在個體和群體水平上的反應。此外，Zabihihesari等人開發了一種具有集成玻璃毛細管和微針的新型微流控器件，可以通過控制這些集成的毛細管來輕輕地加載、定向和固定幼蟲。一旦正確定位在設備中，幼蟲就通過精確定位的微針和定制的輸送系統注入化學物質。 5）熱擾動： 溫度影響所有物種的成長和發育時間。傳統實驗已經仔細描述了不同溫度下模式生物的發展，但這些通常是慢性或均勻暴露于特殊溫度下的研究結果。具有精確時空溫度控制的微流控系統為感知和響應溫度變化的生物學機制提供了寶貴的思路。例如Bai等人利用微流控裝置，使用兩個不同溫度的層流流將果蠅胚胎暴露于胚胎前后軸的熱梯度下，熱梯度導致了沿胚胎軸的異步核分裂。這些研究突出了微流控控制流動狀態的能力，以揭示新的生物學發現，并突出了微流控在模型生物體之間實現類似實驗范式的能力。

圖3微流控系統可以以高精度和以前無法達到的通量提供刺激 未來前景 這些工具為模式生物的更多定量研究打開了大門，為發育生物學、行為學、神經生物學、生物物理學和生物啟發工程提供見解。利用微流控技術進行模式生物研究產生了新的生物學見解和實驗方法，包括提高通量、自動樣品操作、精確刺激、改善可重復性和改善便攜性。生物學家和工程師之間持續的跨學科合作正在加速模式生物研究界采用這些工具的速度，并促進實現應用于模式生物研究的微流控系統的巨大潛力。 論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-30814-6

審核編輯 ：李倩