近日，東南大學集成電路學院光電與傳感集成團隊朱真教授在國際著名學術期刊Biosensors and Bioelectronics (中科院一區(qū)，IF = 10.5)發(fā)表題為“Wide-band Electrical-impedance-spectroscopy Integrated Microfluidic Organism-on-a-chip Device for Simultaneous monitoring of Multi-organ Degradation along C. elegans Aging”的論文。該研究將線蟲操控與寬頻電阻抗譜傳感集成于微流控芯片，揭示了線蟲衰老進程中形態(tài)、表皮、腸道多維度器官表型與10 kHz ~ 50 MHz寬頻電阻抗譜信號的關聯(lián)機制。東南大學集成電路學院博士生于淞為第一作者，朱真教授為通訊作者，東南大學集成電路學院為第一完成單位。

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研究背景

作為遺傳衰老研究的重要模式生物之一，秀麗隱桿線蟲（簡稱線蟲）被廣泛應用于代謝與穩(wěn)態(tài)調(diào)控、毒理效應評估及抗衰老藥物篩選中。與人體相似，線蟲的衰老進程涉及到形態(tài)、表皮、體壁肌肉及內(nèi)部腸道、性腺等器官網(wǎng)絡的協(xié)同響應與耦合退化。因此，研發(fā)可用于線蟲多維度器官表型長期觀測的檢測平臺與表征方法，對進一步探究生物體生命活動中多維度組織器官協(xié)同作用機制有重要意義。

常用的線蟲培養(yǎng)觀測平臺如瓊脂基和多孔板，雖然在表征線蟲群落的生理特征及運動行為時穩(wěn)定可靠，但由于線蟲的無規(guī)則運動及培養(yǎng)周期內(nèi)子代幼蟲干擾，其難以持續(xù)追蹤單一線蟲器官水平的多維度表型特征。同時，目前獲取線蟲器官表型主要依賴光學檢測，在同時觀測多種器官時需構建含各器官組織特異性啟動子驅動的熒光蛋白的轉基因秀麗隱桿線蟲品系，顯著增加了實驗方案的復雜性和圖像處理的工作量。因此，本研究利用微流控及電阻抗譜技術，實現(xiàn)了單一線蟲衰老進程的長時序監(jiān)測及多維度器官表型的準確表征。

圖1：寬頻電阻抗譜信號表征衰老線蟲多維器官表型。線蟲在衰老進程中可出現(xiàn)形態(tài)收縮、表皮破裂、腸道退化等與人體類似的生理現(xiàn)象。本研究在微流控芯片中誘導線蟲進入快速死亡進程，利用不同頻段的阻抗信號實現(xiàn)對線蟲形態(tài)、表皮和內(nèi)部腸道多維度器官表型的準確表征。

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研究內(nèi)容

本研究設計研發(fā)了一款集成氣動薄膜閥與微電極陣列的微流控芯片，可實現(xiàn)線蟲的捕獲、固定等精確操控和通體寬頻電阻抗譜掃描。該芯片采用玻璃基板-金電極-氮化硅-PDMS結構，在PDMS層微流道下游設置有一個氣動薄膜閥，以實現(xiàn)線蟲在芯片傳感區(qū)域的捕獲釋放。微電極陣列分為9對檢測電極（S1-R1 ~ S9-R9），每對檢測電極可通過外圍電路與電流放大器、高精度數(shù)字鎖相放大器連接，實現(xiàn)對應蟲體的10 kHz到50 MHz寬頻帶電阻抗譜掃描。

圖2：集成微電極陣列的線蟲微流控芯片及外圍檢測電路。

圖3：微流控芯片內(nèi)的線蟲捕獲、寬頻電阻抗譜掃描、釋放流程。

為探究線蟲多維器官表型與寬頻電阻抗譜信號之間的關聯(lián)機制，本研究在誘導線蟲快速死亡的過程中，同步記錄了其顯微圖像及寬頻電阻抗譜信號。依據(jù)衰老線蟲的時序顯微圖像，我們確認了線蟲死亡過程中歷經(jīng)的形態(tài)變化、腸道分解、表皮破裂三個階段。結合同時間段內(nèi)的寬頻電阻抗信號解析，實現(xiàn)了利用中低頻（50 kHz ~ 5 MHz）阻抗信號表征線蟲形態(tài)、表皮；寬頻（30 MHz、2 MHz）阻抗信號表征線蟲腸道。該研究可為生命科學、醫(yī)工交叉領域提供創(chuàng)新性的生物體檢測平臺和分析方法。

圖4：線蟲快速死亡進程。內(nèi)源性藍色熒光標記腸道分解，PI紅色熒光標記表皮破裂。

原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.118150

來源：東南大學集成電路學院光電與傳感團隊