近日，東南大學(xué)集成電路學(xué)院光電與傳感集成團(tuán)隊(duì)朱真教授在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Biosensors and Bioelectronics (中科院一區(qū)，IF = 10.5)發(fā)表題為“Wide-band Electrical-impedance-spectroscopy Integrated Microfluidic Organism-on-a-chip Device for Simultaneous monitoring of Multi-organ Degradation along C. elegans Aging”的論文。該研究將線蟲操控與寬頻電阻抗譜傳感集成于微流控芯片，揭示了線蟲衰老進(jìn)程中形態(tài)、表皮、腸道多維度器官表型與10 kHz ~ 50 MHz寬頻電阻抗譜信號(hào)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。東南大學(xué)集成電路學(xué)院博士生于淞為第一作者，朱真教授為通訊作者，東南大學(xué)集成電路學(xué)院為第一完成單位。

02

研究背景

作為遺傳衰老研究的重要模式生物之一，秀麗隱桿線蟲（簡(jiǎn)稱線蟲）被廣泛應(yīng)用于代謝與穩(wěn)態(tài)調(diào)控、毒理效應(yīng)評(píng)估及抗衰老藥物篩選中。與人體相似，線蟲的衰老進(jìn)程涉及到形態(tài)、表皮、體壁肌肉及內(nèi)部腸道、性腺等器官網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同響應(yīng)與耦合退化。因此，研發(fā)可用于線蟲多維度器官表型長(zhǎng)期觀測(cè)的檢測(cè)平臺(tái)與表征方法，對(duì)進(jìn)一步探究生物體生命活動(dòng)中多維度組織器官協(xié)同作用機(jī)制有重要意義。

常用的線蟲培養(yǎng)觀測(cè)平臺(tái)如瓊脂基和多孔板，雖然在表征線蟲群落的生理特征及運(yùn)動(dòng)行為時(shí)穩(wěn)定可靠，但由于線蟲的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)及培養(yǎng)周期內(nèi)子代幼蟲干擾，其難以持續(xù)追蹤單一線蟲器官水平的多維度表型特征。同時(shí)，目前獲取線蟲器官表型主要依賴光學(xué)檢測(cè)，在同時(shí)觀測(cè)多種器官時(shí)需構(gòu)建含各器官組織特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的熒光蛋白的轉(zhuǎn)基因秀麗隱桿線蟲品系，顯著增加了實(shí)驗(yàn)方案的復(fù)雜性和圖像處理的工作量。因此，本研究利用微流控及電阻抗譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單一線蟲衰老進(jìn)程的長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)及多維度器官表型的準(zhǔn)確表征。

圖1：寬頻電阻抗譜信號(hào)表征衰老線蟲多維器官表型。線蟲在衰老進(jìn)程中可出現(xiàn)形態(tài)收縮、表皮破裂、腸道退化等與人體類似的生理現(xiàn)象。本研究在微流控芯片中誘導(dǎo)線蟲進(jìn)入快速死亡進(jìn)程，利用不同頻段的阻抗信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)線蟲形態(tài)、表皮和內(nèi)部腸道多維度器官表型的準(zhǔn)確表征。

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研究?jī)?nèi)容

本研究設(shè)計(jì)研發(fā)了一款集成氣動(dòng)薄膜閥與微電極陣列的微流控芯片，可實(shí)現(xiàn)線蟲的捕獲、固定等精確操控和通體寬頻電阻抗譜掃描。該芯片采用玻璃基板-金電極-氮化硅-PDMS結(jié)構(gòu)，在PDMS層微流道下游設(shè)置有一個(gè)氣動(dòng)薄膜閥，以實(shí)現(xiàn)線蟲在芯片傳感區(qū)域的捕獲釋放。微電極陣列分為9對(duì)檢測(cè)電極（S1-R1 ~ S9-R9），每對(duì)檢測(cè)電極可通過(guò)外圍電路與電流放大器、高精度數(shù)字鎖相放大器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)蟲體的10 kHz到50 MHz寬頻帶電阻抗譜掃描。

圖2：集成微電極陣列的線蟲微流控芯片及外圍檢測(cè)電路。

圖3：微流控芯片內(nèi)的線蟲捕獲、寬頻電阻抗譜掃描、釋放流程。

為探究線蟲多維器官表型與寬頻電阻抗譜信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制，本研究在誘導(dǎo)線蟲快速死亡的過(guò)程中，同步記錄了其顯微圖像及寬頻電阻抗譜信號(hào)。依據(jù)衰老線蟲的時(shí)序顯微圖像，我們確認(rèn)了線蟲死亡過(guò)程中歷經(jīng)的形態(tài)變化、腸道分解、表皮破裂三個(gè)階段。結(jié)合同時(shí)間段內(nèi)的寬頻電阻抗信號(hào)解析，實(shí)現(xiàn)了利用中低頻（50 kHz ~ 5 MHz）阻抗信號(hào)表征線蟲形態(tài)、表皮；寬頻（30 MHz、2 MHz）阻抗信號(hào)表征線蟲腸道。該研究可為生命科學(xué)、醫(yī)工交叉領(lǐng)域提供創(chuàng)新性的生物體檢測(cè)平臺(tái)和分析方法。

圖4：線蟲快速死亡進(jìn)程。內(nèi)源性藍(lán)色熒光標(biāo)記腸道分解，PI紅色熒光標(biāo)記表皮破裂。

原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118150

來(lái)源：東南大學(xué)集成電路學(xué)院光電與傳感團(tuán)隊(duì)