利用微流控技术进行神经元细胞分选

人类中枢神经系统（CNS）内的神经回路由具有不同生物物理和功能特征的兴奋性/抑制性神经元细胞形成。鉴于神经回路的复杂性，绘制大脑的解剖和功能特征对于神经生物学家来说仍然是一项具有挑战性的任务。微流控技术和微制造技术已被广泛用于开发具有集成神经细胞大小的微通道的复杂装置。

此外，许多微流控装置也与光学和电生理学技术兼容，使得单个神经元能够被监测和操纵。近日，来自德国波恩大学的Volker Busskamp团队回顾了利用微流控技术进行不同类型神经元细胞分选以及神经回路构建和分析的研究进展。




图1 微流控平台的多种应用：从中枢神经系统细胞的表征到体外神经元细胞分选和神经回路设计

首先，研究人员介绍了各种基于微流控技术的细胞分选策略。例如，通过使用粘弹性调谐和调节微通道中的液体流速，已经分离出来自大鼠脊髓的神经元和神经胶质细胞（图2a）。利用惯性微流控平台在蛇形通道中分离初级神经元和神经胶质细胞（图2b）。具有螺旋形通道的惯性微流控装置也已用于从大细胞群中分离神经元细胞（图2c）。

除了利用流体流动来分离细胞之外，电泳和声学电泳方法也可以与微流控平台集成用于细胞分选（图2d-e）。



图2 基于微流控技术的不同细胞分选策略

其次，研究人员总结了微流控技术对scRNA测序技术发展的贡献。对于单细胞转录组分析，第一步是在微升或纳升反应体积中分离单个细胞。

后者主要通过使用流式细胞荧光分选技术（FACS）、基于集成阀门或液滴的微流控系统或基于微流控技术的高密度微孔板来实现（图3）。此外，先进的多模式微流控平台正试图在scRNA-Seq实验中纳入评估生理异质性的选项：可以根据细胞的分子特征，或根据其生理特性绘制细胞图。



图3 微流控技术对scRNA测序技术发展的贡献

随后，研究人员介绍了利用微流控梯度发生器构建神经元细胞生态位的相关工作。研究揭示通过使用较小尺寸的微通道可以增加神经元干细胞的分化速率，表明新鲜培养基的连续供应对于神经元干细胞的维持是至关重要的。目前，微流控技术已被用于影响多种神经元功能，如促使未分化神经突变成树突的同时阻止轴突分化和生长；提高轴突导向效率；测试轴突对浅和陡引诱物梯度的反应；引导轴突锥体生长等。

此外，还可以利用微流控装置来同时提供连续和不连续的化学梯度，或者将它们与物理线索如表面图案和结构相结合，以提供更真实的体内微环境模型（图4）。



图4 利用微流控梯度发生器构建神经元细胞生态位

最后，研究人员梳理了用于不同神经元回路设计的微流控技术。主要包括用于轴突导向的微流控技术、用于神经突分离和功能评估的微流控技术和用于分离树突和突触的微流控技术（图5a-d）。




图5 基于微流控技术进行神经元回路构建的主要方法

总体而言，微流控技术的进步使我们能够加深对细胞和组织的结构和功能的理解，最终为更准确地在体外模拟神经退行性和发育性疾病以及开发先进的细胞替代疗法提供关键信息。



审核编辑：刘清