新型微流控芯片：实时监测细胞炎症反应的科研利器

微流控芯片集成多功能检测技术，以快速检测、易集成、生物相容性好、微环境可控、自动化及高通量分析等优势，在生物医学领域广泛应用。但传统聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片疏水性易导致气泡积累影响细胞培养，现有气泡捕获方法复杂且难集成；在检测环节，表面增强拉曼光谱（SERS）检测虽具优势，但受背景干扰难以精准定量目标分子。

近期，重庆大学的研究团队成功设计并开发出一种新型多功能微流控芯片，该成果已发表于Talanta期刊。这一芯片整合了灌注细胞培养和细胞分泌物原位表面增强拉曼光谱（SERS）检测功能，为研究脂多糖（LPS）刺激A549细胞分泌白细胞介素-6（IL-6）的过程提供了有力工具。

研究结果

图 1 微流控芯片的系统设计与IL-6检测流程

如图1a所示，多功能微流控芯片的设计原理图清晰展示了其结构布局。该芯片采用玻璃和PDMS材料制成，尺寸为75mm×25mm，整体分为细胞灌注培养区和IL-6分泌检测区（图1b）。在细胞培养区，特别设计了一个直径4mm、厚度2.5mm的气泡捕获腔（图1c）。在细胞培养过程中，气泡的积累一直是微流控芯片面临的重要挑战。这一创新设计能够有效去除培养液中的气泡，避免其对细胞生长造成干扰和损伤。此次研发的气泡捕获腔可一次性排出高达31.4μL的气泡，并通过底部的热板对培养基进行预热，确保细胞在适宜的环境下生长。检测区则由混合通道、衍生化通道和检测区组成，用于捕获和检测IL-6（图1d）。

图 2 A549细胞在微流控芯片中的培养与活性检测

实验显示，气泡捕获腔能够有效去除培养液中的气泡，确保细胞培养环境的稳定性。在0.5μL/min的流速下，芯片内的剪切应力仅为0.05dyn/cm²，远低于细胞损伤的阈值，适合长期细胞培养（图2a）。A549细胞在芯片上培养36小时后，仍保持良好的活性和典型的铺路石样形态（图2b-d）。

图 3 IL-6的SERS标准曲线与检测性能

在检测方面，芯片利用SERS技术定量检测LPS刺激A549细胞分泌的IL-6。研究人员制备了银包金纳米星作为SERS检测的敏感增强探针，将免疫磁珠、IL-6抗原和SERS探针混合孵育，形成三明治结构，通过永磁体在检测区域捕获该结构进行检测。利用该方法建立的IL-6校准曲线，线性范围为1-10000pg/mL，检测限低至0.75pg/mL。

图 4 LPS刺激下A549细胞IL-6分泌的实时SERS分析

研究人员使用该芯片对LPS刺激A549细胞分泌IL-6的过程进行了长达7小时的监测。结果发现，IL-6分泌量并非持续上升，而是先在第2小时急剧增加，第4小时达到峰值（55pg/mL），随后逐渐下降并趋于稳定（9.4pg/mL）。这一现象表明，细胞可能存在自我调节机制，以减轻持续刺激带来的炎症影响。

此次研究开发的多功能微流控芯片，不仅实现了A549细胞的长期灌注培养，还通过SERS技术成功实现了对炎症因子IL-6的高灵敏度实时监测。这一创新平台为研究细胞对外界刺激的响应提供了全新的工具，尤其在炎症反应、细胞信号传导以及药物筛选等领域展现出广阔的应用前景。未来，随着微流控技术的不断发展和检测手段的进一步优化，这种集成化芯片有望在更多生物医学研究中发挥重要作用，为精准医学和个性化治疗提供有力支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127395