综述：得益于微流控分析技术的高通量单细胞分析：设备设计、系统集成及新兴趋势

《Microchemical Journal》：High-throughput single-cell analysis enabled by microfluidic analytical strategies: Device engineering, system integration, and emerging trends

　　

史玉飞|张慧英|徐凤华|董欣|洪占英|张雪

上海大学医学院，中国上海200444

摘要

单细胞分析对于理解细胞异质性和阐明复杂的生物机制至关重要。传统方法，如流式细胞术、质谱法和荧光检测，受到通量、灵敏度和样品消耗的限制。微流控技术凭借其微型化、自动化和高通量能力，为单细胞分析提供了革命性的工具。虽然现有的综述总结了微流控技术和材料，但专门为高通量单细胞分析设计的微流控设备的全面概述仍然缺乏。本综述重点介绍了用于单细胞分析的高通量微流控设备，强调了在细胞分选、捕获和培养方面的创新设计，以及这些设计对实现高通量转录组学、代谢组学、基因组学和蛋白质组学的影响。这些微流控芯片利用先进的流体动力学、微孔阵列和液滴封装技术，实现了对单细胞的高效操作和并行分析，显著提高了分析通量，为生命科学和医学研究提供了强大的工具。

引言

细胞作为生命的基本单位，在遗传学、分子组成和功能状态上表现出显著的异质性，这对于理解发育、分化和疾病机制至关重要[1]，[2]。单细胞分析已成为破译这种异质性的关键方法，能够识别稀有细胞群体和细胞间的关系[3]。然而，传统技术（如流式细胞术、质谱法和荧光检测）在通量、灵敏度和信息深度之间存在固有的权衡[4]。流式细胞术虽然实现了自动化，但多路复用能力和光谱重叠问题仍然存在[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。质谱法具有高灵敏度和分辨率，但通量低且工作流程复杂[12]，[13]，[14]，[15]。荧光方法具有高通量筛选能力，但严重依赖于标记，限制了其在多组学分析中的应用[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。这些局限性凸显了在保持高通量的同时不牺牲灵敏度或单细胞分辨率的分析平台的需求。为了克服这些限制，迫切需要能够实现精确控制、微型化和并行化的分析平台。

微流控技术在低尺度上操控流体，为单细胞分析提供了有力的分析解决方案[23]，[24]，[25]，[26]，[27]。它通过构建精确控制的微环境显著提高了检测灵敏度和物质转移效率[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]，[34]，[35]。此外，通过设计大规模并行的微反应器，可以同时处理大量细胞，从而实现高通量分析[36]，[37]，[38]，[39]，[40]，[41]。集成设计使得多个步骤可以无缝集成到单个芯片上，自动化工作流程以最小化样品损失并最大化信息产出[42]，[43]，[44]。精确的可控性使得可以温和地操作细胞、刺激细胞并进行长期动态观察[45]，[46]，[47]。这些固有特性使得微流控技术非常适合解决单细胞分析中的多种挑战，并已在多个领域得到成功应用[48]，[49]，[50]，[51]，[52]，[53]，[54]，[55]，[56]，[57]，[58]，[59]，[60]，[61]。

尽管技术进步迅速，学术综述的视角仍然有限。最近的综述往往关注微流控材料、制造策略或特定应用，但未能总结微流控平台在集成工作流程中的通量可扩展性和设计原则。这限制了对通量、灵敏度、可扩展性和多组学兼容性之间权衡的评估[44]，[62]，[63]，[64]，[65]，[66]，[67]，[68]，[69]，[70]。为了填补这一方法论空白，本综述通过将微流控芯片的设计与灵敏度、通量和重复性等分析性能指标相结合，提供了以方法为导向的视角，将高通量作为核心分析指标，建立了评估平台性能的统一框架。通过比较不同的设计策略并阐明其权衡，本综述旨在为开发下一代平台提供明确指导，以实现高通量与深入的单细胞异质性分析之间的平衡，从而推动分析化学领域向更强大和可扩展的单细胞分析方向发展。

部分摘录

基于微流控芯片的高通量单细胞操作平台

微流控单细胞分析中灵敏度和通量的提高源于微流控平台的几个固有特性。微阵列限制提高了局部分析物浓度，改善了物质转移效率，从而增强了检测灵敏度。同时，能够同时处理大量微通道、液滴或微孔，实现了大规模并行化，直接转化为更高的分析通量。

高通量微流控芯片在组学分析中的应用

基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学这些相互关联的领域构成了一个动态系统，揭示了从基因到可观察特征的路径，这是解锁生命复杂性的关键。基因组学作为生物体的蓝图，包含了生物体组成的所有指令。从蓝图到构建指令，转录组学研究基因的构建过程。这些RNA随后指导蛋白质组学，后者关注执行工具

讨论与结论

微流控技术在单细胞分析中显著提高了通量、灵敏度和集成度。标准化的挑战、多组学的整合和重复性仍然是存在的问题。本研究通过提供将设备设计与性能结果联系起来的统一分析方法，解决了现有方法的局限性。

本综述系统地整理了单细胞分析领域的高通量微流控技术的最新进展。

CRediT作者贡献声明

史玉飞：撰写——原始草稿，可视化。张慧英：可视化。徐凤华：可视化。董欣：资源准备。张雪：验证、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22304002）的资助。