人類中樞神經系統（CNS）內的神經回路由具有不同生物物理和功能特征的興奮性/抑制性神經元細胞形成。鑒于神經回路的復雜性，繪制大腦的解剖和功能特征對于神經生物學家來說仍然是一項具有挑戰性的任務。微流控技術和微制造技術已被廣泛用于開發具有集成神經細胞大小的微通道的復雜裝置。

此外，許多微流控裝置也與光學和電生理學技術兼容，使得單個神經元能夠被監測和操縱。近日，來自德國波恩大學的Volker Busskamp團隊回顧了利用微流控技術進行不同類型神經元細胞分選以及神經回路構建和分析的研究進展。




圖1 微流控平臺的多種應用：從中樞神經系統細胞的表征到體外神經元細胞分選和神經回路設計

首先，研究人員介紹了各種基于微流控技術的細胞分選策略。例如，通過使用粘彈性調諧和調節微通道中的液體流速，已經分離出來自大鼠脊髓的神經元和神經膠質細胞（圖2a）。利用慣性微流控平臺在蛇形通道中分離初級神經元和神經膠質細胞（圖2b）。具有螺旋形通道的慣性微流控裝置也已用于從大細胞群中分離神經元細胞（圖2c）。

除了利用流體流動來分離細胞之外，電泳和聲學電泳方法也可以與微流控平臺集成用于細胞分選（圖2d-e）。



圖2 基于微流控技術的不同細胞分選策略

其次，研究人員總結了微流控技術對scRNA測序技術發展的貢獻。對于單細胞轉錄組分析，第一步是在微升或納升反應體積中分離單個細胞。

后者主要通過使用流式細胞熒光分選技術（FACS）、基于集成閥門或液滴的微流控系統或基于微流控技術的高密度微孔板來實現（圖3）。此外，先進的多模式微流控平臺正試圖在scRNA-Seq實驗中納入評估生理異質性的選項：可以根據細胞的分子特征，或根據其生理特性繪制細胞圖。



圖3 微流控技術對scRNA測序技術發展的貢獻

隨后，研究人員介紹了利用微流控梯度發生器構建神經元細胞生態位的相關工作。研究揭示通過使用較小尺寸的微通道可以增加神經元干細胞的分化速率，表明新鮮培養基的連續供應對于神經元干細胞的維持是至關重要的。目前，微流控技術已被用于影響多種神經元功能，如促使未分化神經突變成樹突的同時阻止軸突分化和生長；提高軸突導向效率；測試軸突對淺和陡引誘物梯度的反應；引導軸突錐體生長等。

此外，還可以利用微流控裝置來同時提供連續和不連續的化學梯度，或者將它們與物理線索如表面圖案和結構相結合，以提供更真實的體內微環境模型（圖4）。



圖4 利用微流控梯度發生器構建神經元細胞生態位

最后，研究人員梳理了用于不同神經元回路設計的微流控技術。主要包括用于軸突導向的微流控技術、用于神經突分離和功能評估的微流控技術和用于分離樹突和突觸的微流控技術（圖5a-d）。




圖5 基于微流控技術進行神經元回路構建的主要方法

總體而言，微流控技術的進步使我們能夠加深對細胞和組織的結構和功能的理解，最終為更準確地在體外模擬神經退行性和發育性疾病以及開發先進的細胞替代療法提供關鍵信息。



審核編輯：劉清