多相流微流控分选技术揭示链球菌细胞链长依赖性致病异质性

针对微生物形态相关致病异质性研究的瓶颈问题，中国科学院研究人员开发了一种基于多相流微流控的无标记分选技术，成功实现变异链球菌（S. mutans）按细胞链长（0.6-15 μm）的高效分选（效率>77.8%，纯度>85%），首次揭示长链亚群（4.5-15 μm）具有更强的生物膜形成能力、抗吞噬性和抗菌药物耐受性（MIC50 升高），为病原体形态-致病性关联研究提供了新范式。

　　

在口腔微生物研究领域，变异链球菌（Streptococcus mutans, S. mutans）作为龋病主要致病菌，其形态多样性（尤其是纳米级球菌的链式排列）与致病性的关联长期未被阐明。传统分离技术如膜过滤和离心，受限于形状分辨力不足（仅依赖尺寸或密度）和机械损伤风险，难以实现亚微米级病原体的精准分选。虽然微流控技术通过介电泳（DEP）或纯粘弹性流体实现了酵母菌等真核微生物的形态分选，但对直径仅0.5 μm的原核细胞链仍束手无策。

为解决这一技术难题，中国科学院的研究团队在《Nano Today》发表研究，创新性地将多相流体系引入微流控分选。通过协同调控聚环氧乙烷（PEO）溶液的粘弹性与缓冲液的牛顿流体特性，在34 μm宽的微通道中建立弹性升力（F_e
）与惯性升力（F_i
）的协同作用场，首次实现S. mutans按链长（短链0.6-2 μm、中链2-4.5 μm、长链4.5-15 μm）的无标记分选，同时保持>98.5%的细胞活性。

关键技术包括：1）多相流微流控芯片设计（双入口七出口结构）；2）PEO-PBS界面流控调控；3）高速显微成像追踪细胞迁移轨迹；4）生物膜定量（结晶紫染色）、巨噬细胞吞噬实验（RAW264.7细胞系）和抗菌药物敏感性测试（MIC₅₀
测定）。

【机制研究】
通过数值模拟和实验验证，发现链长（L）与受力呈非线性关系：F_e
∝L^1.3
主导长链细胞的向心迁移，而F_i
∝L^0.8
驱动短链细胞靠近壁面。这种力场梯度使不同链长细胞在流体界面处实现空间分离，分选纯度达85%。

【致病性分析】
长链亚群展现出显著增强的致病特性：生物膜生物量较中/短链组提高2.1倍；巨噬细胞吞噬率降低63%；对氯己定的MIC₅₀
值升高4.8倍。分子机制研究表明，长链形态可能通过增加细菌间粘附位点和遮蔽表面抗原增强环境适应性。

该研究不仅建立了首个针对亚微米级原核生物的形态分选平台，更揭示了微生物物理形态与致病性的直接关联。长链S. mutans亚群表现出的多重耐药和免疫逃逸特征，为龋病精准防治提供了新靶点——针对特定形态亚群开发抑制剂可能成为未来研究方向。微流控分选技术的通用性设计，还可拓展至其他链球菌属或纳米级病原体的异质性研究。