微流控芯片在细胞研究中的多元化应用

生物是一切具有新陈代谢的物体。狭义的生物是指传统意义上独立、能自主生存的物体，包括动物、植物和微生物。生物具有遗传和变异的特征，能够进行生长、发育和繁殖，能适应一定环境和改变环境，能对外界的刺激做出反应。而细胞是大多数生物体结构和功能的基本单位。20世纪90年代发展起来的微流控芯片技术在细胞研究上有广泛的潜力，已引起人们极大的关注。目前，微流控芯片在细胞生物学领域的应用主要集中于微环境下的细胞应答与细胞行为研究，其研究范围涉及众多的生物种类。下面我们从动物细胞、植物细胞以及微生物细胞这 3 个代表性方面对微流控芯片在细胞生物学研究领域的应用进行阐述。

一、动物细胞芯片

微流控芯片技术在动物细胞的应用研究非常广泛，尤其是哺乳动物细胞。除基本的细胞培养以外，研究者还开展了大量基于微流控芯片的正常细胞和肿瘤细胞操作、分析及其实践应用研究，包括细胞分类、细胞融合、单细胞捕获与基因分析、细胞与微环境相互作用、 高通量药物筛选等。大量基于微流控芯片的细胞分析应用不断涌现，极大地提高了细胞分析效率。例如，Sugiura 等制备了一种平行阵列式微腔细胞芯片，可同时开展 7 种抗肿瘤药物对人宫颈癌 Hela 细胞的抗癌作用研究。

二、植物细胞芯片

植物界的种类形形色色、千差万别。与动物相类似，高等植物个体亦是由大量细胞构成。各种细胞之间有机能上的分工以及形态结构上的分化，相互依存、协作，共同维持整个有机体的正常生命活动。目前涉及微流控芯片技术在植物细胞中的研究报道甚少，但是植物细胞与动物细胞有很多相通之处，例如植物的原生质体（即去除细胞壁的植物细胞）和哺乳动物细胞有很多相似之处，可以摄入细胞器、微粒体、病毒以及DNA等大分子物质，常常被用于进行开展各种膜生物学以及基于细胞融合技术的植物育种研究。2010年武恒研究所首次采用PEU化学融合的方法，实现小白菜无菌苗子叶原生质体及烟草叶肉原生质体的微流控芯片融合。

三、微生物芯片

微生物包括细菌、真菌等一大类生物群体，它与人类生活有着密切的关系。微生物涵盖了有益、有害的众多种类，广泛涉及人体健康、食品制造与安全、医药和医疗卫生、环保等诸多领域。目前，微流控芯片在微生物的应用研究主要包括两类: 一类是对微生物本身特性、行为学和个体组分分析等研究（见下图），如 Kim 等使用一种浓度梯度芯片开展了基于细菌生物膜的多种不同抗生素药物敏感性实验研究。另一类则是对微生物本身特性、行为学和个体组分分析研究，例如 Whitesides 课题组利用芯片微管道开展的关于大肠杆菌运动行为研究。