宽频电阻抗谱微流控芯片：精准监测衰老线虫多维度器官

2025-11-05

近日，东南大学集成电路学院光电与传感集成团队朱真教授在国际著名学术期刊Biosensors and Bioelectronics (中科院一区，IF = 10.5)发表题为“Wide-band Electrical-impedance-spectroscopy Integrated Microfluidic Organism-on-a-chip Device for Simultaneous monitoring of Multi-organ Degradation along C. elegans Aging”的论文。该研究将线虫操控与宽频电阻抗谱传感集成于微流控芯片，揭示了线虫衰老进程中形态、表皮、肠道多维度器官表型与10 kHz ~ 50 MHz宽频电阻抗谱信号的关联机制。东南大学集成电路学院博士生于淞为第一作者，朱真教授为通讯作者，东南大学集成电路学院为第一完成单位。

研究背景

作为遗传衰老研究的重要模式生物之一，秀丽隐杆线虫（简称线虫）被广泛应用于代谢与稳态调控、毒理效应评估及抗衰老药物筛选中。与人体相似，线虫的衰老进程涉及到形态、表皮、体壁肌肉及内部肠道、性腺等器官网络的协同响应与耦合退化。因此，研发可用于线虫多维度器官表型长期观测的检测平台与表征方法，对进一步探究生物体生命活动中多维度组织器官协同作用机制有重要意义。

常用的线虫培养观测平台如琼脂基和多孔板，虽然在表征线虫群落的生理特征及运动行为时稳定可靠，但由于线虫的无规则运动及培养周期内子代幼虫干扰，其难以持续追踪单一线虫器官水平的多维度表型特征。同时，目前获取线虫器官表型主要依赖光学检测，在同时观测多种器官时需构建含各器官组织特异性启动子驱动的荧光蛋白的转基因秀丽隐杆线虫品系，显著增加了实验方案的复杂性和图像处理的工作量。因此，本研究利用微流控及电阻抗谱技术，实现了单一线虫衰老进程的长时序监测及多维度器官表型的准确表征。

图1：宽频电阻抗谱信号表征衰老线虫多维器官表型。线虫在衰老进程中可出现形态收缩、表皮破裂、肠道退化等与人体类似的生理现象。本研究在微流控芯片中诱导线虫进入快速死亡进程，利用不同频段的阻抗信号实现对线虫形态、表皮和内部肠道多维度器官表型的准确表征。

研究内容

本研究设计研发了一款集成气动薄膜阀与微电极阵列的微流控芯片，可实现线虫的捕获、固定等精确操控和通体宽频电阻抗谱扫描。该芯片采用玻璃基板-金电极-氮化硅-PDMS结构，在PDMS层微流道下游设置有一个气动薄膜阀，以实现线虫在芯片传感区域的捕获释放。微电极阵列分为9对检测电极（S1-R1 ~ S9-R9），每对检测电极可通过外围电路与电流放大器、高精度数字锁相放大器连接，实现对应虫体的10 kHz到50 MHz宽频带电阻抗谱扫描。

图2：集成微电极阵列的线虫微流控芯片及外围检测电路。

图3：微流控芯片内的线虫捕获、宽频电阻抗谱扫描、释放流程。

为探究线虫多维器官表型与宽频电阻抗谱信号之间的关联机制，本研究在诱导线虫快速死亡的过程中，同步记录了其显微图像及宽频电阻抗谱信号。依据衰老线虫的时序显微图像，我们确认了线虫死亡过程中历经的形态变化、肠道分解、表皮破裂三个阶段。结合同时间段内的宽频电阻抗信号解析，实现了利用中低频（50 kHz ~ 5 MHz）阻抗信号表征线虫形态、表皮；宽频（30 MHz、2 MHz）阻抗信号表征线虫肠道。该研究可为生命科学、医工交叉领域提供创新性的生物体检测平台和分析方法。