吕航：生物学家很辛苦，我希望能帮助他们

　　

生物通报道：近期《Nature Methods》特别介绍了一位华人女科学家——吕航，这位早年毕业于伊利诺斯大学，曾在加州大学，洛克菲勒大学霍德华休斯医学院进修的华裔学者在利用微流体分析生物学的研究方面获得了颇多成果。吕航最初的专业是计算机半导体芯片，但当她的导师开始微流体技术研究的时候，吕航对这种技术在生物学上的应用产生了极大的兴趣，她从一种局外人的角度思考，解开一些生物学技术难题。

在最近的两项成果中，吕航研究组就利用微流体技术解决了定量分析问题，有趣的是，吕航的这些研究成果是由于其合作的生物学家在实验中遇到了一些问题，求助于她而产生的。吕航希望用这些方法来帮助生物学家，让他们能更方便快捷的进行生物研究，这让我们印象深刻，因此生物通特联系了吕航博士，就一些问题请教了她。

 
（吕航）

这两项成果都是将微流体技术用到了截然不同的两个方面，却都为生物学提供了新型定量技术。其中一个是与法兰克福大学的Alexander Gottschalk研究组合作完成的，他们将模式生物秀丽隐杆线虫进行基因工程改造，使其能对光作出某些神经应答，从而能通过刺激线虫的兴奋与抑制机械感知神经元和运动神经元，追踪神经应答和对应的信号功能。

那么这种基因工程改造主要是指什么呢？吕航博士在回答生物通提问的时候解答道，“我们利用常规的转基因技术，将一些能表达光遗传学（optogenetic）因子，比如光敏蛋白 (channelrhodopsin）的基因转入特异性的神经细胞或者肌肉中。”

这种方法能在非侵入的情况下检测神经行为，观察在不同的刺激，或者干扰下这些神经元的活动，实现了在限定的时间和位置上，明确调控一个完整的生物体系统的行为，精确到位的分析动物的神经功能路线。

这项技术在实际应用中的一位问题就是设计硬件，软件和湿件的整体工作体系，比如说实验中研究人员用到的光学设备并不是一些专业设备，而是一台彩色LCD投影仪，吕航认为，“你可以将实验室的设备都升级到最快，但是这个成本不划算”，“我们正在考虑能让每个实验室都能买得起的合理方案。”

第二篇文章则主要围绕的是果蝇胚胎，研究人员希望能大规模定量分析背腹轴的蛋白定位信息——背腹轴的形成过程是胚胎发育过程中第一个重要阶段，但是目前科学家们还不是很清楚背腹轴的发育机制。因此吕航研究组与普林斯顿大学Stanislav Shvartsman研究组的研究人员一道，开发出了一种新型成像设备，这种设备上的微流体芯片能在短短几分钟时间内，高效地定位数百个胚胎，从而能帮助科学家们收集并分析大量的背腹轴信号，进行统计学分析。

吕航向我们解释了这一设备方法原理：主要是利用流体动力学原理，比如迪安流（Dean flow）和压力平衡（pressure balance）进行实验，这种流体力实际上能用在很多方面，而无需外力。

这种设备是利用聚二甲基硅氧烷（PMDS）为材料，大小和一个载玻片差不多，形似米粒，其中包含有大约有700个胚胎捕获芯片，当样品通过设备上一个“S”型的槽道时，流体模型可以筛选合适的胚胎，并提高胚胎与捕获芯片的接触频率，研究证明90%的胚胎都能被芯片捕获，这对于那些过去只能针对少量胚胎进行的研究将是极具价值的。

这两项工作看上去十分有趣，但是在具体的实验操作中，吕航他们还是遇到了不少问题，首先在第一项研究中，研究人员需要结合软件和硬件，利用LCD与显微镜观察追踪线虫的位置，其中的难点就在于如何切实的了解光学系统与追踪硬件的潜力和局限。第二项研究需要检测微观流体力学，了解这些胚胎如何在芯片上作用的，这些都比较困难。

有趣的是吕航最开始进行这些研究的原因，是由于其合作的生物学家在实验中遇到了一些问题，求助于她而产生的，吕航等人利用微流体，自动化（利用软件调控，和拍摄过程），以及硬件设计（包括光学系统，xy stage，显微镜和照相机）解决了这些问题，她说其中最关键的就在于如何整合这些硬软件。

当谈及转变的研究方向的时候，吕航坦率的说，“生物学领域令人向往，但是却比物理学滞后许多，我们研究的这些细胞和组织实际上与芯片和微流体的大小差不多，这说明微系统就是进行生物学研究的利器。在这些研究中，我们并没有解决生物学本身的一些问题，我们只是利用一些设备和方法改进了生物学家进行实验的方式。”

下一步吕航研究组将进一步深入了解线虫中的神经元，以及神经环路是如何工作，而果蝇胚胎研究工作方面，则将加强发育与模式形成的研究。

如果你也对吕航的研究感兴趣，或者有什么疑惑，也可以发信给我们，邮箱是：[e-mail]

（生物通：王蕾）

原文摘要：
A microfluidic array for large-scale ordering and orientation of embryos

Quantitative studies of embryogenesis require the ability to monitor pattern formation and morphogenesis in large numbers of embryos, at multiple time points and in diverse genetic backgrounds. We describe a simple approach that greatly facilitates these tasks for Drosophila melanogaster embryos, one of the most advanced models of developmental genetics. Based on passive hydrodynamics, we developed a microfluidic embryo-trap array that can be used to rapidly order and vertically orient hundreds of embryos. We describe the physical principles of the design and used this platform to quantitatively analyze multiple morphogen gradients in the dorsoventral patterning system. Our approach can also be used for live imaging and, with slight modifications, could be adapted for studies of pattern formation and morphogenesis in other model organisms.