基于微流控芯片的线虫培养与刺激新方法研究

基于微流控芯片的线虫培养与刺激新方法研究秀丽隐杆线虫作为一种重要的模式生物,主要用于研究遗传、发育、神经、行为生理学等的基本机制。尽管线虫具有多样化的行为模型、简单的神经系统、短暂的生命周期和强大的遗传工具的可用性等独特优势,但一直缺乏自动化操纵系统和集成化定量分析研究方法。微流控芯片因具有良好的透明度、生物相容性和高通量等优点,尤其是其微通道与线虫的尺寸完美匹配,近年来逐渐发展成为线虫研究中重要的技术平台。“线虫芯片”已经成功用于线虫表型和发育时期筛选、神经系统成像、行为学、显微手术和显微注射等。目前,微流控芯片在线虫培养、发育和成像等方面也显示出巨大的潜力。本文针对线虫的培养和刺激设计了一系列新型微流控芯片,主要研究内容如下:1、设计可生成指数浓度梯度的芯片,用于研究线虫的寿命和发育过程。该芯片能够在通道网络中自动形成连续稀释的具有四个数量级的细菌食物补充物,同时,能够实现线虫的长期培养以及线虫的固定

与实时成像监测。该芯片能够以高通量的方式来评估细菌浓度对线虫寿命的影响;通过芯片平台,我们考察了线虫的生长与细胞内DAF-16核定位如何响应不同浓度的细菌食物,研究了食物限制对线虫寿命的影响机制。2、提出一种快速、可靠的微流控芯片方法用于定量分析线虫的趋流性行为。在液体环境下,线虫对流体方向的感知十分重要,趋流性在线虫生命周期中的作用举足轻重,使它们能够在环境中导航,并维持它们的位置。为了研究线虫对不同流速的选择性,本文构建了包含六个螺旋样微通道芯片,用于产生六个不同的流速。利用该芯片,

成功地对线虫的流速偏好性进行定量分析,并结合突变体,分析其潜

在的作用机理。3、发展了一种用于线虫固定和电刺激肠细胞的芯片,研究线虫肠细胞对电刺激的响应及钙信号转导机理。该芯片系统利用可编程的电磁阀来精确控制刺激时间,能够对线虫特定肠部进行精确刺激从而诱发钙信号。通过使用该装置,发现线虫肠部细胞钙信号可以通过持续或瞬时电刺激来启动。此外,芯片内线虫会因高电压的刺激而破裂,导致体内的组织暴露出来,该技术可用于线虫解剖学以及

体外标记。4、探索了一种新型光流控芯片,应用于线虫光遗传分析。线虫的神经系统由302个神经元构成。然而,对神经回路的功能组成在很大程度上是未知的。近年来,光遗传学成功应用于推断神经元的功能。本文构建了光流控芯片系统,利用3D打印技术打印出与光纤结合的通道,以LED激光作为光源,通过光纤对芯片内表达光敏感蛋白Ch R-2的神经元进行光激活,并同步利用显微镜光学系统对传递到下游神经元的神经信号以及相应的行为变化进行功能成像。因此,该便携式芯片装置可以实现线虫光刺激与神经元动态响应、行为反应观测的同步化,可用于研究线虫神经回路的发生与功能组成,具有种简单、快速、成本低等优势。综上所述,本文以线虫为对象,结合微流控芯片,建立可以用于线虫培养和刺激的技术平台,设计出可用于研究线虫食物限制、趋流性、电刺激、光遗传分析的微流控芯片。本文建立的多种微流控芯片有望被广泛用于线虫发育、遗传、神经和行为学的研究。