微流控細胞芯片生命分析應用多元化

摘 要 微流控芯片是現(xiàn)代生命科學研究領域的重要分析工具。結(jié)合研究者近年來開展的研究工作和取得的相關進展，本文主要介紹了微流控細胞芯片的功能特征，同時從動物細胞、植物細胞以及微生物細胞三方面系統(tǒng)闡述了微流控芯片生命分析多元化的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其應用前景進行了展望。

關鍵詞 微流控芯片；細胞；多元化；綜述

1 引 言

微流控芯片是一種微流體界面精確操作技術(shù)，也是最為重要的前沿性分析技術(shù)之一^[1]。微流控芯片的特點在于可實現(xiàn)常規(guī)實驗室諸多基本功能的微型化和集成化。相對于傳統(tǒng)分析技術(shù)而言，微流控芯片是 “微”而“全”的分析技術(shù)平臺；同時，它也是當前微全分析系統(tǒng)（Micro total analysis system，-TAS）發(fā)展的重點。微流控芯片技術(shù)涉及多學科交叉研究領域，在有機合成、疾病診斷、藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測等方面都有廣泛的應用^[2～4]。目前，微流控芯片技術(shù)正向生命科學研究領域大范圍地發(fā)展^[5～7]。

細胞是生物界中不可或缺的一部分。細胞研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵。隨著對生命規(guī)律探索的不斷深入，對實時、動態(tài)的研究手段的需求使得新的生命分析技術(shù)與方法不斷涌現(xiàn)^[8～14]。微流控芯片技術(shù)能夠在微米級尺度下開展多種細胞、亞細胞及分子水平的細胞相關研究^[15～18]。芯片單元的大規(guī)模集成化與系統(tǒng)化^[19]，使得細胞高通量實時監(jiān)測與分析應用成為可能。微流控芯片技術(shù)逐漸成為細胞生命科學研究領域的重要技術(shù)支撐，同時也顯示出了生命分析多元化應用趨勢。目前，微流控芯片已應用于不同種類組織的細胞生長增殖、代謝、運動行為、通訊與信號轉(zhuǎn)導，以及細胞分類篩選和仿生模擬等研究^{[18，20～23]}。

本文主要綜述了近年開展的系列基于微流控芯片的細胞培養(yǎng)、操作與分析，包括動物細胞（如建系細胞與原代細胞培養(yǎng)、捕獲、凋亡、及“細胞-藥物”與“細胞-細胞”相互作用），植物細胞（如原生質(zhì)體培養(yǎng)與融合），以及微生物細胞（如大腸桿菌培養(yǎng)、高通量藥物刺激應答），重點介紹了微流控芯片在細胞生命分析研究領域的多元化應用發(fā)展。2 微流控細胞芯片的功能特征

2.1 微型化與集成化

微流控芯片的最顯著特征之一在于微型化，其主要體現(xiàn)在微流控芯片和微米級管道的空間尺度，以及其對研究對象的處理與檢測水平。首先，微流控芯片尺寸較小。目前使用的芯片大小為數(shù)cm2^[1]。其次，在微流控芯片內(nèi)進行的樣品處理量都在L， nL，甚至pL級。微流控芯片內(nèi)開展的微量實驗操作在物質(zhì)消耗方面顯示出了很大的優(yōu)勢，尤其是在處理某些珍貴的樣品和試劑的過程中。第三，微流控芯片具有低能量消耗的特點，這主要是基于其可微量操作性。此外，微流控芯片對物質(zhì)研究，采取微區(qū)域界面處理模式，極大提高了對研究對象的可控制性，特別是針對細胞的操作。

隨著微機電加工技術(shù)（Microelectromechanical systems，MEMS）的發(fā)展，微流控芯片進入了一個迅速發(fā)展的時期，各種基于微流控芯片的操作技術(shù)單元不斷涌現(xiàn)。與傳統(tǒng)的實驗室操作相比，盡管這種微型化操作顯示出許多突出的優(yōu)勢（如便攜、廉價、操作簡單、樣品消耗低等），然而單一芯片操作單元并不能滿足常規(guī)研究操作系列化的需求^[1，19]。

作為微流控芯片的主要特征，各種技術(shù)單元的功能組合與集成，有利于開展各種高通量和系列化操作與實驗研究。近年來，隨著各種單元操作技術(shù)的日臻成熟，大規(guī)模集成化已成為微流控芯片技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。以此為技術(shù)支撐，研究人員已構(gòu)建出了許多前沿性的芯片分析平臺^[24，25]。在細胞生物學研究領域，微流控芯片技術(shù)的滲透，極大地提高了細胞操控與分析能力的連續(xù)性^[26]。例如，Gómez-Sjberg等^[27]建立了一種多功能、自動化細胞培養(yǎng)集成微流控系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了96個獨立的細胞培養(yǎng)單元，能夠分別控制細胞培養(yǎng)條件，包括細胞接種密度、培養(yǎng)液組成成分和營養(yǎng)供給時間，以及細胞影像操作。Fan等^[28]構(gòu)建了一種開展單細胞全基因分子單體型分析的集成微流控芯片系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)實現(xiàn)了單細胞定位、蛋白酶解與染色體釋放、單個染色體的分離、分配與擴增等一系列操作功能的集成。以上研究進展表明了芯片系統(tǒng)對活細胞時空控制培養(yǎng)與分析的可行性。因此，集成微流控芯片技術(shù)以更加優(yōu)秀的時間與空間控制、實時監(jiān)測與操作能力，在諸多研究領域得到廣泛應用。

2.2 細胞培養(yǎng)

細胞培養(yǎng)是一種常規(guī)的細胞研究手段。值得注意的是，常規(guī)實驗室的細胞培養(yǎng)至今仍依賴于簡單的培養(yǎng)容器，如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶和培養(yǎng)板。近年來，研究者更加注重于細胞研究模式的生物相關性以及開發(fā)新的細胞培養(yǎng)系統(tǒng)^[29～31]。微流控芯片系統(tǒng)主要由微米級管道網(wǎng)絡構(gòu)成，具有極高的體內(nèi)細胞微環(huán)境模擬潛能。

2.2.1 二維細胞培養(yǎng) 二維細胞培養(yǎng)，通常指在芯片微型腔體內(nèi)進行的細胞生長。芯片內(nèi)的細胞培養(yǎng)便于開展大量微環(huán)境下細胞的長期監(jiān)測與分析研究，擴大微流控芯片在生物學領域的應用。從細胞生長環(huán)境而言，微流控芯片細胞培養(yǎng)主要分為零液流培養(yǎng)模式和連續(xù)流培養(yǎng)模式。零液流培養(yǎng)多在相對封閉的微型腔體（如“Ω”型或“凸”型微腔）內(nèi)進行細胞生長增殖，且一般以分子擴散形式提供細胞生長所需養(yǎng)分；而連續(xù)流培養(yǎng)則是將細胞接種于連續(xù)流體環(huán)境下，再以較低流速液流直接供給養(yǎng)分，維持細胞的活性和實現(xiàn)細胞生長。目前已實現(xiàn)微流控芯片內(nèi)多種細胞的生長與增殖^[32～34]。Lee等^[35]制備了一種高通量、低剪切力細胞培養(yǎng)芯片，并進行了不同種類細胞（包括人神經(jīng)膠質(zhì)瘤SY5Y細胞、Hela細胞、NIH 3T3成纖維細胞和原代牛上皮細胞）的培養(yǎng)研究。該芯片主要由“C”字形培養(yǎng)腔陣列組成，通過液流控制調(diào)節(jié)腔內(nèi)液流剪切力至0.01 Pa，接近于體內(nèi)組織條件。該芯片設計實現(xiàn)了細胞的均一接種、低流速和低剪切力培養(yǎng)環(huán)境。對于非粘附性細胞，Luo等^[36]制備了一種含有多組三角形微腔的零流速細胞靜態(tài)培養(yǎng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)酵母菌的長期培養(yǎng)與監(jiān)測。

此外，基于微流控芯片的細胞傳代培養(yǎng)也已基本實現(xiàn)。Zhang等^[37]在微流控芯片培養(yǎng)腔內(nèi)實現(xiàn)了BALB/3T3 成纖維細胞連續(xù)5代的培養(yǎng)，該芯片主要依托培養(yǎng)腔內(nèi)獨特的物理結(jié)構(gòu)進行細胞的連續(xù)滯留實現(xiàn)傳代。同時，針對芯片內(nèi)細胞培養(yǎng)，芯片材料的表面改性研究也得到關注，如多糖修飾聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）表面用于提高細胞兼容性^[38]。

2.2.2 三維細胞培養(yǎng) 細胞三維（Three dimension，3D）培養(yǎng)對于模擬研究體內(nèi)細胞行為與應答過程具有重要意義。與一般的二維培養(yǎng)相比，3D細胞培養(yǎng)環(huán)境與體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)更加類似，能夠提高細胞研究模式的生物相關性。3D細胞培養(yǎng)多以天然物質(zhì)或化學合成物質(zhì)構(gòu)成三維細胞生長支架，常見材料有膠原蛋白、殼聚糖等。目前，微流控芯片技術(shù)也應用于3D框架模式的細胞培養(yǎng)研究，特別是芯片內(nèi)基于水凝膠的細胞培養(yǎng)。Kim等^[39]進行了芯片內(nèi)HepG2細胞的3D培養(yǎng)實驗。他們首先從3種不同凝膠材料（膠原復合物、聚乳酸復合物和PuramatrixTM水凝膠）中通過體外常規(guī)細胞培養(yǎng)篩選出一種有利于提高細胞功能的生長支架材料，即PuramatrixTM水凝膠；然后采用層流技術(shù)在微流控芯片管道中心制備凝膠帶，兩側(cè)為培養(yǎng)液供給通道，實現(xiàn)HepG2細胞的3D培養(yǎng)。研究顯示，這種微流控3D培養(yǎng)模式能夠維持細胞較高的白蛋白分泌能力，且其蛋白分泌量高于96孔板3D培養(yǎng)條件下的白蛋白水平。該研究實現(xiàn)了芯片內(nèi)為期4 d的HepG2細胞培養(yǎng)。

由于在3D環(huán)境下，體外細胞培養(yǎng)所需營養(yǎng)物或其它物質(zhì)是以擴散方式進行補給，因此，凝膠內(nèi)的細胞往往會出現(xiàn)生長速率不均一現(xiàn)象，特別是凝膠中心區(qū)的細胞生長緩慢。而就細胞類型來講，原代細胞較建系細胞更難培養(yǎng)，尤指敏感性較強的神經(jīng)細胞。針對這樣的問題，研究人員同樣也付出了一定的努力，例如通過模仿體內(nèi)脈管網(wǎng)縮短補給范圍防止細胞生長功能異常。Cullen等^[40]開發(fā)了一種新穎的連續(xù)流式3D細胞培養(yǎng)芯片系統(tǒng)。圓形芯片培養(yǎng)腔內(nèi)共設有6個培養(yǎng)液入口，液體經(jīng)凝膠（厚度超過500 m）由外圍通道流出。該實驗研究了不同流速下（2～11 L/min）鼠神經(jīng)元的活力水平。結(jié)果表明，與靜態(tài)細胞培養(yǎng)模式相比，該系統(tǒng)3D培養(yǎng)的神經(jīng)元具有更高的活力。在較低流速條件下（2～6 L/min），神經(jīng)元活性仍然受到營養(yǎng)源作用范圍的影響；而在高流速條件下（10～11 L/min），神經(jīng)元活性將不再受其影響。整個實驗過程（7 d）中均保持超過90%的高細胞活性。

2.3 細胞操作與分析

2.3.1 靜態(tài)與動態(tài)操作 微流控芯片技術(shù)可開展多種靜態(tài)和動態(tài)的細胞操作程序。首先，零液流與連續(xù)流細胞培養(yǎng)模式引導了靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境下的細胞研究。靜態(tài)培養(yǎng)環(huán)境下的細胞操作優(yōu)勢是可以避免微流體對細胞的力學損傷，通常可實現(xiàn)細胞生長環(huán)境流體的零剪切力。而在連續(xù)流環(huán)境下進行細胞操作分析研究則是一種動態(tài)性模式。它一般采用的是低流速（0.1～1 L/min）實現(xiàn)細胞生長與應答微環(huán)境中物質(zhì)的傳送，同時最大限度地降低細胞損傷。目前研究者多采用后者開展微流控細胞芯片內(nèi)細胞操作應用。特別是這種動態(tài)模式還可以開展許多組織相關性細胞研究，如血管血液流動模擬條件下血管內(nèi)皮細胞的力學作用研究^[41]；腎臟脈管環(huán)境模擬條件下的腎小管上皮細胞培養(yǎng)、激素刺激以及細胞連接、細胞骨架應答研究^[42]。

動態(tài)性細胞操作在于微流控芯片技術(shù)對細胞及微環(huán)境的實時精確操控，即根據(jù)研究需要， 通過對微流體的定向控制以及其功能元件的輔助作用，實現(xiàn)可控的細胞定位和環(huán)境物質(zhì)空間分布定位。這樣既可滿足細胞本身的可操作性，同時還可解決長期以來對細胞微環(huán)境控制難的問題。目前研究者已經(jīng)實現(xiàn)了單細胞的定位與定向操作，以及對單細胞不同部位的環(huán)境刺激。Takayama等^[43]利用微管道層流技術(shù)實現(xiàn)了單個細胞的局部化學刺激，并通過熒光示蹤對局部細胞內(nèi)吞作用進行監(jiān)測。

2.3.2 平行高通量分析 高通量分析作為一種常規(guī)分析技術(shù)，廣泛用于包括藥物開發(fā)及生物、化學等相關領域研究。對于微流控芯片，各種檢測單元的陣列化，極大地促進了其在高通量分析研究方面的應用。通過將細胞定位于這類陣列式腔體內(nèi)，可開展多種細胞攔截、細胞應答以及細胞內(nèi)涵物的大批量檢測與分析，且實驗結(jié)果具有優(yōu)良的均一性。Skelley等^[44]設計制備了一種單細胞捕獲與融合陣列芯片，能夠連續(xù)進行單個不同種類細胞的高通量捕獲（可一次實現(xiàn)6000個單細胞捕獲）、配對和融合操作。其異源細胞配對率可達70%，融合率可達50%，比常規(guī)的細胞電融合率高4倍。Ye等^[45]構(gòu)建了一種用于高通量藥物誘導肝癌細胞凋亡研究的集成微流控芯片系統(tǒng)。在芯片上設計了一組濃度梯度發(fā)生器，可實現(xiàn)單個芯片內(nèi)藥物濃度的系列化，該芯片可完成不同濃度藥物對微腔陣列內(nèi)腫瘤細胞的作用研究。3 微流控細胞芯片的多元化應用

目前，微流控芯片在細胞生物學領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。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。因此，我們主要從動物細胞、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域的應用進行闡述。

3.1 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。除上述的基本細胞培養(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，細胞應答（如細胞形變、細胞骨架重組、細胞內(nèi)蛋白分泌、及細胞趨化等）高通量藥物篩選等^[46，47]。各種以細胞培養(yǎng)為基礎的微流控芯片應用不斷涌現(xiàn)^[48，49]，極大地提高了細胞分析效率。例如，Sugiura等^[50]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。

沿著仿生模擬的研究方向和思路，使得微流控芯片技術(shù)對于細胞與微環(huán)境時空控制方面的能力在動物細胞生物相關性研究中得到了充分的展示。Ho等^[51]設計制備了一種細胞捕獲芯片，可以通過芯片底層同心電極陣列的電場誘導實現(xiàn)肝細胞在微腔內(nèi)的輻射式串珠狀排列，然后將人臍靜脈內(nèi)皮細胞灌注入間隙，用以模擬肝臟組織。該研究證實了體外重建肝小葉的可能性。Liu等^[52]采用集成微流控芯片技術(shù)構(gòu)建了一種用于細胞與微環(huán)境相互作用動態(tài)研究的芯片系統(tǒng)（圖2）。該芯片采用多層軟光刻技術(shù)制備，通過氣動微閥控制液流、細胞以及細胞微環(huán)境，可開展多種微環(huán)境模式的細胞刺激應答研究。該研究實現(xiàn)了在芯片內(nèi)表面處理、細胞定位裝載以及異型細胞共培養(yǎng)等連續(xù)化實驗操作， 并開展了針對腫瘤細胞（HepG2肝癌細胞）與基質(zhì)細胞（3T3成纖維細胞）相互作用的動態(tài)系列化操作與分析研究。

3.2 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。植物原生質(zhì)體，即去除細胞壁的植物細胞，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。然而，微流控芯片技術(shù)在植物界的應用極少，目前的報道僅限于少數(shù)種類植物的細胞原生質(zhì)體培養(yǎng)和部分操作研究，而且是最近幾年才有所進展，如2006年Ko等^[53]在微管道內(nèi)開展的煙草原生質(zhì)體的培養(yǎng)以及細胞團形成實驗。同年，Ju等^[54]開展了芯片制備原材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）對原生質(zhì)體生長的影響研究。結(jié)果顯示，與常規(guī)玻璃和塑料容器相比，PDMS的透氣性有利于提高原生質(zhì)體的分裂。盡管如此，其實現(xiàn)的原生質(zhì)體分裂率仍處于較低水平。基于此，開展微流控芯片內(nèi)原生質(zhì)體的培養(yǎng)優(yōu)化研究，有利于加快解決難題。Wu等^[55]設計制備了一種用于開展植物細胞培養(yǎng)操作的PDMS芯片。如圖3所示，該芯片由5條實驗平行微米級管道構(gòu)成，具有共同的進樣口；微管道內(nèi)設置的微柱陣列能夠有效攔截植物細胞。該研究實現(xiàn)了不同培養(yǎng)基條件下的煙草原生質(zhì)體優(yōu)化培養(yǎng)，使其在8 d內(nèi)成功生長至細胞團，并進一步完成了芯片內(nèi)煙草原生質(zhì)體的融合操作。此外，該培養(yǎng)研究實現(xiàn)的原生質(zhì)體一次分裂率在5 d內(nèi)達到了85.6%。

3.3 微生物細胞芯片

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，如Kim等^[60]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。針對微生物細胞芯片的微型化與功能化發(fā)展，F(xiàn)alconnet等^[61]構(gòu)建了一種微腔陣列式集成細胞芯片系統(tǒng)（圖4）。該芯片含有128個獨立的細胞培養(yǎng)微腔和相應的氣動微閥，可開展不同種類細胞的定位培養(yǎng)與分析。

同時，該芯片設有氣動微泵裝置，可實現(xiàn)高度精確的流體控制和獨立的細胞影像分析。使用該系統(tǒng)開展了不同酵母菌在三維凝膠環(huán)境的培養(yǎng)，以及實時控制的生圖4 集成微流控芯片用于酵母菌高通量分析

Fig．4 Integrated microfluidic chip for high-throughput analysis of yeast cells

A. 芯片實物圖；B. 芯片工作區(qū)域示意圖：（1）128 個微腔陣列；（2）不同酵母菌接種入口；（3）8個微閥控制的刺激物入口；（4）芯片出口；（5）復用器用于不同平行微腔的試劑傳輸；（6）集成氣動微泵。A. Image of microfluidic device; B. Working area of microfluidic device: （1） Array of 128 imaging chambers; （2） Column inlets for loading different strains; （3） 8 Chemical inlets controlled by independent valves; （4） Outlet ports; （5） Fluidic multiplexer to deliver reagents to specified rows; （6） Integrated peristaltic pump. Copyright （2011），Royal Society of Chemistry.

長因子誘導細胞增殖研究。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于大腸桿菌運動行為研究^[56]， Leadbetter課題組在陣列微流控芯片內(nèi)進行的單個細菌多種基因高通量分析研究^[57]， 以及Stocker等^[58]采用芯片層流技術(shù)對一種源自海洋的假交替單胞菌（Pseudoalteromonas haloplanktis）進行的快速營養(yǎng)趨化研究。

4 展 望

自20世紀90年代以來，微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)極大地促進了微型化操作與分析研究方法的發(fā)展。微流控芯片在生命科學研究領域的廣泛滲透，在很大程度上提高了人們對生物個體及其自身的微觀認識^[62，63]。基于微流控芯片的細胞分析，促進了該技術(shù)在生命科學及其相關研究領域的應用，尤其在活細胞結(jié)構(gòu)與功能相關生命活動分析， 及人類生活實踐密切相關的應用分析研究。例如，采用芯片雙層共培養(yǎng)技術(shù)重建人肺臟單元，研究各種臨床常見的微生物、炎癥細胞因子和物理機械作用以及納米毒性影響^[64]；采用大規(guī)模陣列化集成細胞芯片技術(shù)實現(xiàn)的快速、高通量藥物毒性分析與篩選，有望解決一直困擾制藥業(yè)領域新藥研發(fā)周期長的難題；同時，各種環(huán)境污染物監(jiān)測芯片和臨床診斷芯片的問世^[65，66]，為進一步改善和提高人類自身健康及其生活環(huán)境提供了可能。可以看到，微流控芯片的商業(yè)化與社會化是該技術(shù)發(fā)展的最終目標。各種公共衛(wèi)生監(jiān)控、家庭醫(yī)療保健等社會需求的不斷擴大化，將會不斷刺激微流控芯片技術(shù)的改良與發(fā)展。

從目前微流控芯片細胞培養(yǎng)與操作分析技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，無論從二維或是三維角度，其功能模式都毋庸置疑地在不斷集成化、自動化以及智能化^{[28，52，61，67]}。從實踐應用發(fā)展角度而言，微流控芯片的生物多元化應用已成為其可持續(xù)發(fā)展的一個必然趨勢。因此，繼續(xù)發(fā)展微流控芯片技術(shù)應用的同時，加強其在尚未涉及生物領域的應用研究，有利于最大限度地發(fā)揮該技術(shù)的功能優(yōu)勢，進一步促進人類對其生活環(huán)境的深入了解和充分利用。然而，盡管目前的微流控芯片技術(shù)可以完成高度時間與空間控制性細胞操作分析，但其實現(xiàn)的細胞生長環(huán)境距離實際的體內(nèi)細胞微環(huán)境還相差甚遠。假若微流控芯片系統(tǒng)能夠構(gòu)建出完整的細胞培養(yǎng)環(huán)境，它將很可能取代傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)和動物研究模式，真正成為新一代的細胞生命研究平臺。同時，許多現(xiàn)有的微流控細胞芯片系統(tǒng)還不能獨立、系統(tǒng)地完成細胞操作與分析，尤其是后期的細胞相關檢測分析。所以，深入加強各種細胞芯片的功能優(yōu)化重組及其對相關生物學問題的深入研究，同樣值得繼續(xù)關注。

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References

1 Whitesides G M. Nature， 2006， 442（7101）: 368～373

2 Sorger P K. Nat. Biotechnol.，2008， 26（12）: 1345～1346

3 Yager P， Edwards T， Fu E， Helton K， Nelson K， Tam M R， Weigl B H. Nature， 2006， 442（7101）: 412～418

4 Zhang Q， Xu J J， Liu Y， Chen H Y.Lab Chip，2008， 8（2）: 352～357

5 Xu B Y， Xu J J， Xia X H， Chen H Y.Lab Chip，2010， 10（21）: 2894～2901

6 Liu Y， Wang H X， Liu Q P， Qu H Y， Liu B H， Yang P Y.Lab Chip，2010， 10（21）: 2887～2893

7 Xu Z R， Zhong C H， Guan Y X， Chen X W， Wang J H， Fang Z L.Lab Chip，2008， 8（10）: 1658～1663

8 Liu A L， Zhou T， He F Y， Xu J J， Lu Y， Chen H Y， Xia X H.Lab Chip，2006， 6（6）: 811～818

9 Liu S J， Li Q， Shao Y H.Chem. Soc. Rev.，2011， 40（5）: 2236～2253

10 Chen X M， Wu G H， Chen J M， Jiang Y Q， Chen G N， Oyama M， Chen X， Wang X R.Biosens. Bioelectron.， 2010， 26（2）: 872～876

11 Wang J Y， Wang X Q， Ren L， Wang Q， Li L， Liu W M， Wan Z F， Yang L Y， Sun P， Ren L L， Li M L， Wu H， Wang J F， Zhang L. Anal. Chem.，2009， 81（15）: 6210～6217

12 Liu D B， Xie Y Y， Shao H W， Jiang X Y.Angew. Chem. Int. Ed.，2009， 48（24）: 4406～4408

13 Wang J Y， Wan Z F， Liu W M， Li L， Ren L， Wang X Q， Sun P， Ren L L， Zhao H Y， Tu Q， Zhang Z Y， Song N， Zhang L.Biosens. Bioelectron.， 2009， 25（4）: 721～727

14 Wang J Y， Ren L， Wang X Q， Wang Q， Wan Z F， Li L， Liu W M， Wang X M， Li M L， Tong D W， Liu A， Shang B B.Biosens. Bioelectron.， 2009， 24（10）: 3097～3102

15 Yao B， Luo G A， Feng X， Wang W， Chen L X， Wang Y M.Lab Chip，2004， 4（6）: 603～607

16 Sun M， Fang Q.Lab Chip，2010， 10（21）: 2864～2868

17 Gao D， Wei H， Guo G S， Lin J M. Anal. Chem.，2010， 82（13）: 5679～5685

18 Wang J Y， Ren L， Li L， Liu W M， Zhou J， Yu W H， Tong D W， Chen S L.Lab Chip，2009， 9（5）: 644～652

19 Thorsen T， Maerkl S J， Quake S R.Science，2002， 298（5593）: 580～584

20 Kamei K， Guo S， Yu Z T， Takahashi H， Gschweng E， Suh C， Wang X， Tang J， McLaughlin J， Witte O N， Lee K B， Tseng H R.Lab Chip，2009， 9（4）: 555～563

21 Ma B， Zhang G H， Qin J H， Lin B C.Lab Chip，2009， 9（2）: 232～238

22 Barkefors I， Thorslund S， Nikolajeff F， Kreuger J.Lab Chip，2009， 9（4）: 529～535

23 Wong K H， Truslow J G， Tien J.Biomaterials，2010， 31（17）: 4706～4714

24 Unger M A， Chou H P， Thorsen T， Scherer A， Quake S R.Science，2000， 288（5463）: 113～116

25 Wang J Y， Sui G D， Mocharla V P， Lin R J， Phelps M E， Kolb H C， Tseng H R.Angew. Chem. Int. Ed.，2006， 45（32）: 5276～5281

26 Li L， Liu W M， Wang J C， Tu Q， Liu R， Wang J Y.Electrophoresis，2010， 31（18）: 3159～3166

27 Gómez-Sjberg R， Leyrat A A， Pirone D M， Chen C S， Quake S R.Anal. Chem.，2007， 79（22）: 8557～8563

28 Fan H C， Wang J， Potanina A， Quake S R. Nat. Biotechnol.，2011， 29（1）: 51～57

29 Vickerman V， Blundo J， Chung S， Kamm R.Lab Chip，2008， 8（9）: 1468～1477

30 Irimia D， Charras G， Agrawal N， Mitchison T， Toner M.Lab Chip，2007， 7（12）: 1783～1790

31 Lovchik R D， Bianco F， Tonna N， Ruiz A， Matteoli M， Delamarche E.Anal. Chem.，2010， 82（9）: 3936～3942

32 Di Carlo D， Wu L Y， Lee L P.Lab Chip，2006， 6（11）: 1445～1449

33 Barbulovic-Nad I， Au S H， Wheeler A R.Lab Chip，2010， 10（12）: 1536～1542

34 Taylor A M， Blurton-Jones M， Rhee S W， Cribbs D H， Cotman C W， Jeon N L.Nat. Methods， 2005， 2（8）: 599～605

35 Lee P J， Hung P J， Rao V M， Lee L P.Biotechnol. Bioeng.，2006， 94（1）: 5～14

36 Luo C X， Zhu X J， Yu T， Luo X J， Ouyang Q， Ji H， Chen Y.Biotechnol. Bioeng.，2008， 101（1）: 190～195

37 Zhang B， Kim M C， Thorsen T， Wang Z.Biomed. Microdevices，2009， 11（6）: 1233～1237

38 Yang L Y， Li L， Tu Q， Ren L， Zhang Y R， Wang X Q， Zhang Z Y， Liu W M， Xin L L，Wang J Y.Anal. Chem.，2010， 82（15）: 6430～6439

39 Kim M S， Yeon J H， Park J K.Biomed. Microdevices，2007， 9（1）: 25～34

40 Cullen D K， Vukasinovic J， Glezer A， Laplaca M C.J. Neural. Eng.，2007， 4（2）: 159～172

41 Hsu S， Thakar R， Liepmann D， Li S.Biochem. Biophys. Res. Commun.，2005， 337（1）: 401～409

42 Jang K J， Suh K Y.Lab Chip，2010， 10（1）: 36～42

43 Takayama S， Ostuni E， LeDuc P， Naruse K， Ingber D E， Whitesides G M.Chem. Biol.，2003， 10（2）: 123～130

44 Skelley A M， Kirak O， Suh H， Jaenisch R， Voldman J.Nat. Methods，2009， 6（2）: 147～152

45 Ye N N， Qin J H， Shi W W， Lin B C.Electrophoresis，2007， 28（7）: 1146～1153

46 Velve-Casquillas G， Le Berre M， Piel M， Tran P T.Nano. Today，2010， 5（1）: 28～47

47 El-Ali J， Sorger P K， Jensen K F. Nature， 2006， 442（7101）: 403～411

48 Paguirigan A L， Beebe D J. Bioessays，2008， 30（9）: 811～821

49 Liu W M， Sun P， Yang L Y， Wang J F， Li L， Wang J Y.Microfluid. Nanofluid.，2010， 9（4-5）: 717～725

50 Sugiura S， Edahiro J， Kikuchi K， Sumaru K， Kanamori T.Biotechnol. Bioeng.，2008， 100（6）: 1156～1165

51 Ho C T， Lin R Z， Chang W Y， Chang H Y， Liu C H.Lab Chip，2006， 6（6）: 724～734

52 Liu W M， Li L， Wang X M， Ren L， Wang X Q， Wang J C， Tu Q， Huang X W， Wang J Y.Lab Chip，2010， 10（13）: 1717～1724

53 Ko J M， Ju J， Lee S， Cha H C.Protoplasma，2006， 227（2-4）: 237～240

54 Ju J I， Ko J M， Kim S H， Baek J Y， Cha H C， Lee S H.Bioproc. Biosyst. Eng.，2006， 29（3）: 163～168

55 Wu H， Liu W M， Tu Q， Song N， Li L， Wang J C， Wang J Y.Microfluid. Nanofluid.，2011， 10（4）: 867～876

56 DiLuzio W R， Turner L， Mayer M， Garstecki P， Weibel D B， Berg H C， Whitesides G M. Nature， 2005， 435（7046）: 1271～1274

57 Ottesen E A， Hong J W， Quake S R， Leadbetter J R.Science，2006， 314（5804）: 1464～1467

58 Stocker R， Seymour J R， Samadani A， Hunt D E， Polz M F.Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2008， 105（11）: 4209～4214

59 Sun P， Liu Y， Sha J， Zhang Z Y， Tu Q， Chen P， Wang J Y.Biosens. Bioelectron.， 2011， 26（5）: 1993～1999

60 Kim K P， Kim Y G， Choi C H， Kim H E， Lee S H， Chang W S， Lee C S.Lab Chip，2010， 10（23）: 3296～3299

61 Falconnet D， Niemist A， Taylor R J， Ricicova M， Galitski T， Shmulevich I， Hansen C L.Lab Chip，2011， 11（3）: 466～473

62 West J， Becker M， Tombrink S， Manz A. Anal. Chem.，2008， 80（12）: 4403～4419

63 Dwyer D J， Kohanski M A， Collins J J.Cell，2008， 135（7）: 1153～1156

64 Huh D， Matthews B D， Mammoto A， Montoya-Zavala M， Hsin H Y， Ingber D E.Science，2010， 328（5986）: 1662～1668

65 Nie Z， Nijhuis C A， Gong J， Chen X， Kumachev A， Martinez A W， Narovlyansky M， Whitesides G M.Lab Chip，2010， 10（4）: 477～483

66 Herr A E， Hatch A V， Throckmorton D J， Tran H M， Brennan J S， Giannobile W V， Singh A K.Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2007， 104（13）: 5268～5273

67 Barbulovic-Nad I， Au S H， Wheeler A R.Lab Chip，2010， 10（12）: 1536～1542



Diversification of Microfluidic Applications in Cell-based Bioanalysis



LIU Wen-Ming1，2， LI Li2， REN Li2， WANG Jian-Chun1， TU Qin1， WANG Xue-Qin2， WANG Jin-Yi*1，2



（1College of Science， 2College of Veterinary Medicine， Northwest A F University， Yangling 712100）



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Abstract Microfluidics is a promising platform for the exploration of modern life science. The purpose of this review is to outline the functional approaches for microfluidics and recent developments in microfluidic applications in cell-based bioanalysis， with emphasis on the diversification of cell-based microfluidics including animal， plant， and microbial cell chips. Finally， a further application of microfluidic technology is explored based on current developments and achievements in cell-based bioanalysis.

Keywords Microfluidic chip; Cell; Diversification; Review

（Received 29 March 2011; accepted 30 August 2011）