探析液滴微流控技术在植物生物学领域的巨大潜力

据麦姆斯咨询报道，多年来，科学家们一直缺乏合适的实验工具用于植物细胞生物力学的研究。设计用于封装单个细胞的微流控装置市场已经被证实在动物研究中拥有巨大的优势，现在也在植物生物学领域显现出巨大的潜力。来自佛蒙特大学（University of Vermont）植物生物学系的研究人员正在利用这项技术加强对生物力学的研究，将原生质体封装到琼脂糖凝胶中去，以精确控制单个植物细胞的物理微环境。

尽管细胞和组织力学在植物发育中的意义早已得到认可，但对植物细胞生物力学的研究仍旧存在挑战。纤维素细胞壁的普遍存在和质外体连续性赋予植物组织独特的机械耦合水平。从理论上讲，能够帮助植物组织在多细胞距离上精确、瞬间传递应力-机械信息。然而，质体外连续性也使得单个细胞水平上的响应解释和机械变量的分离成为问题。

现在可以使用复杂的工具来研究植物的基因结构和亚细胞过程，但是在细胞水平上研究植物生物力学则少之又少。科学家们试图在受控机械环境下研究植物结构，例如，通过光弹性建模，但这并不容易，因为任何组织水平的介入都会干扰系统的应力机制。科学家们也尝试用高速视频显微照相术来进行应力释放实验，但是也非常难解释。液滴微流控的曙光为操纵单个细胞的新方法打开了大门，将它们捕获在各向同性和同质的机械环境中，在这种环境下可以更有效地隔离变量。一旦封装在水凝胶珠子中，细胞与受物理影响的相邻细胞隔离，并且可以受机械力控制。

利用植物细胞生物力学的新方法

植物生物学系的早期研究主要集中在通过均质油和水来人工生产液滴乳液，但成效有限。在开发投入商业使用的微流控液滴系统（Dolomite Microfluidics）之前，研究人员会继续评估使用压力驱动的雾化过程以生成液滴流，该系统能够可靠且可重复地将单个细胞封装在水凝胶珠子中。该系统允许植物生物学系采用新方法研究植物细胞生物力学，并将活的植物原生质体封装在精确尺寸的球形水凝胶珠子中。

原生质体的分离和封装

细胞壁不是均匀的各向同性环境。自然结构化的一致取向使细胞成为细长条状，限制其生长。在封装之前，从悬浮培养系统中除去细胞，并使用酶解除去细胞壁，由此除去生长物理屏障。产生的球形原生质体不具备包含细胞壁的天然细胞内在极性，可用于液滴封装。

使用具有双试剂、四通道玻璃连接芯片的微流控液滴系统生成琼脂糖微珠

合成流体-矿物油加表面活性剂（连续相），培养基和琼脂糖中活的原生质体（分散相）被送入液滴芯片，琼脂糖和原生质体接触，并在持续流动的矿物油交叉处立即裂解成液滴。液滴直径通过调节不同相的流速来进行控制，产生单分散琼脂糖液滴流，使微芯片进入冷却的矿物油浴内，并在此固化。从油中分离后，将微珠悬浮在培养基中，用于实验研究以调查植物细胞生物力学，例如，细胞支架的变化响应受控机械载荷的应用。

打造坚实的基础

最初的结果表明该技术有可能是支持植物生物力学研究的新方法，一秒内生成130个大小一致的球形水凝胶珠子，并产生具有良好细胞活力的单个原生质体的封装。该物理系的研究人员正在着手进行下一阶段的开发，优化该过程以提高细胞存活率并加强琼脂糖微珠。实现一致的细胞存活率是一大特别的挑战，因为没有细胞壁，原生质体将变得特别脆弱。为了改善这一情况，实验室目前正在试验不同的油/表面活性剂组合和一种亲氟微流控芯片。同时，该团队正在寻找改变水凝胶珠子表面以提高抗张强度的方法。通常，随着封装细胞的生长，它们最终会通过琼脂糖微珠破裂，加固微珠则可能会使发育中的细胞受到约束。解决上述问题的办法之一是将聚合电解质涂层叠加到水凝胶表面，生成可以渗透氧气和营养物质的微珠，其强度也足以抵抗细胞内可能产生的高细胞膨压。

前景光明

虽然微流控装置已经成功用于动物细胞的封装，但直到最近才将这项技术应用于植物生物学领域。在植物生物学领域，佛蒙特大学是该技术的早期采用者，并证明了微流控封装的潜力，以支持研究植物生物力学的新方法，允许生成大小一致的球形水凝胶微珠，并封装具有良好细胞活力的单个原生质体。该系目前正基于取得的初步成功，优化流程并尝试进一步改善液滴微流控应用于植物细胞生物学的方法。