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兽医学的发展依赖于现代技术的采用，包括分子诊断、基因组研究、精准医疗方法和先进的诊断成像。微流控技术的最新进展引起了人们对人类疾病建模、诊断和药物开发的极大关注。基于人类在微流控技术研究的成果，来自悉尼大学的Ken-Tye Yong等人建议将该技术全面融入兽医学研究（图1）。因此，该团队概述了微流控技术及其在兽医学中的当前应用，并讨论了动物芯片系统开发的未来方向和挑战。
相关研究成果以“Application of microfluidic technologies in veterinary science with a view toward development of animal-on-a-chip models”为题于2024年12月26日发表在《VIEW》上。
图1 兽医学的各个领域都可以受益于微流体技术，例如疾病诊断和建模以及辅助生殖技术
1.用于兽药研究的新兴微流体技术
在传统的药物开发过程中，药物研究严重依赖细胞培养技术作为药物发现的重要方法。近几十年来，微流控技术对疾病研究和诊断产生了重大影响。这一成功可以归因于多种优势，例如反应时间快、所需样品量小、吞吐量高。此外，它还允许在动态流体流动下通过微尺度通道对样品流体进行精确的时空控制。通过充分利用这项技术，研究人员正在探索多种方法，通过使用微流控设备作为细胞培养平台来重现人体生理学，从而直接了解体内药物代谢和毒性作用。器官芯片 (OoC) 是主要方向之一。OoC是一种微流体装置，它能够维持细胞生长，同时施加生物力学和物理化学刺激。随着以人为本的创新领域的进步，人们推测同样的技术可以应用于动物生理学研究，为兽医学提供可靠的体外工具，即动物芯片(AoC)。有人提出，未来AoC系统可能会对兽医学产生影响，为动物试验提供更有效、更符合道德的替代方案，并有望促进动物疾病研究和兽药开发。
2.微流体技术简介：制造、物理和优势
用于制造微流体装置的方法已经开发出来以适应广泛的应用，包括铸造、光刻和3D打印。特别是，软光刻技术能够快速且廉价地制造小于 100 纳米范围的微流体特征，使其成为一种广泛采用的方法。图2显示了将光刻与软光刻相结合的一般微流体装置制造过程。
近年来，微流控设备已广泛应用于组织工程、药物开发、免疫学、等多个领域。在这些系统中，微流控设备利用少量的试剂消耗和可控的层流行为，创建了传统宏观方法无法实现的经济高效且紧凑的系统。此外，微流控具有与生物细胞和组织相称的通道和腔体、在3D复杂动态真实系统中形成化学梯度的能力、氧渗透性和高通量等特点，已被证明是一个能够精确控制细胞与细胞、细胞与细胞外基质(ECM)相互作用、机械和化学信号的平台。这些元素共同构成了细胞微环境，在调节细胞行为方面发挥着重要作用。因此，基于这些优势，微流控平台已逐渐融入动物疾病检测、疾病建模和辅助生殖技术等应用领域。
图2 使用光刻和软光刻技术创建微流体装置的一般程序
3.通过微流体技术快速检测动物疾病
在造成大规模损失之前，拥有在早期阶段检测动物疾病的能力至关重要。目前，大多数诊断测试只能在设备齐全的实验室进行，需要训练有素的专家来执行任务。定期检测和实时监控对于偏远地区或发展中国家来说是一项不可能完成的任务。因此，开发快速、准确、方便且经济高效的动物疾病检测方法（如微流控技术）来实时检测动物疾病可以提高生产率。作者在此部分详细讨论了集成到微流控平台中的技术，例如环介导等温扩增(LAMP)、酶联免疫吸附测定(ELISA)和电分析技术。
（1）基于DNA扩增的动物疾病检测
诊断传染病最可靠的技术之一是聚合酶链式反应(PCR)。然而，这种技术通常需要专门的扩增和检测设备以及更昂贵的试剂和技术专长。因此，基于LAMP开发的微流控核酸扩增技术可能提供机会。通过扩增目标脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)序列，甚至可以在非常早期的阶段检测到病原体（图3）。
图3 用于检测各种动物疾病的四种不同微流体设备的结构和工作流程
（2）微流体平台上集成的ELISA
除了LAMP，ELISA是一种多样化的酶联免疫测定技术，也用于疾病诊断。微流体装置可以成为一种解决方案，因为它们可以在微米级操纵流体，例如具有高表面/体积比的微滴。根据尺度定律，微体积可以显著缩短分析时间，从几小时缩短到几分钟。最重要的是，这种检测方法最大限度地减少了反应所需的样品和试剂量，从而降低了昂贵试剂的成本（图4）。
图4 微流体平台上集成的ELISA的工作流程
（3）微流体集成电化学测量技术
集成电化学测量的微流控生物传感器也已被开发用于动物疾病检测。该方法可在实验室环境之外提供快速、简单、灵敏且易于操作的诊断测试。
4.微流体作为细胞培养平台
微流控技术可以通过控制各种微环境因素（包括流速、化学梯度、pH值、温度等）来创造更多类似体内的刺激。这一特性增加了体外细胞和组织模型的生物学相关性。虽然2D细胞培养可以作为一种简化模型来研究基本细胞信号传导机制和细胞过程，但它们可能无法完全捕捉体内细胞的生理行为。因此，二维细胞培养在药物筛选和疾病建模等应用中变得不受欢迎，因为它在体外研究和患者临床反应之间的预测准确性有限。
与使用2D细胞培养技术以单层形式生长的细胞不同，3D细胞培养将细胞培养到具有支架的基质中，或以无支架的方式生长（图5）。该技术也在微流体装置内实现。多项研究发现，3D和2D细胞培养的细胞形态和生理学不同。2D条件下的细胞表达扁平和典型的细胞扩散，限制了它们的 ECM 分泌和细胞间相互作用。在3D环境中，细胞聚集在一起形成不同形状（圆形、团块状、葡萄状、星状）的球状体或类器官，从而形成更像体内的结构，具有更多的细胞间和细胞-ECM相互作用。
图5 球体、类器官和微流体装置的特点
5.微流控辅助动物生殖技术
辅助动物繁殖是微流体技术的另一个探索领域。实验室物种，尤其是哺乳动物，对于生物医学研究的进步和人类健康和福利至关重要。基于微流控的动物ART理念正成为解决这些问题的一种有前途的方法（图6）。
图6 微流体技术辅助动物生殖的示例
当今的兽医研究面临着许多挑战，包括体外模型不足、已知和未知的人畜共患、传染性和非传染性疾病迅速传播和出现的风险，以及不可预测的环境威胁。微流控技术可以通过提供更多类似体内的动物组织模型来提供一些支持，以进一步了解不同动物的生理学和相关疾病的病理学。此外，通过与微流控平台的集成，一些耗时耗力的疾病检测技术（如LAMP和ELISA）可以变得更快速、更高效，从而促进兽医疾病诊断和新治疗方法的发现过程。
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