打造醫療微晶元 微流控設備有望使遺傳疾病診斷更加簡單

該晶元可被用於微流體系統，以分析來自小至單個細胞的樣本的基因組信息。

圖片來源：Fluidigm

美國加州大學洛杉磯分校Dino Di Carlo實驗室的生物工程師每天有很多時間都裹在從頭到腳的衣服中並且看上去有點像得了黃疸。工程師們在一間無塵室中工作。房間里，過濾後的空氣穩定地流動著，將微粒去除。藍色或者紫色的光線會使他們利用的光感材料變硬，因此工程師們將房間里的燈光限制在奶黃色。

他們和這個領域的其他人正在構建用於製備血液和其他流體樣本的工具以診斷基因變異物，比如癌症細胞所攜帶的突變。很少有此類工具需要無塵室，但這些工具取決於流體穿過通道的能力。然而，通道是如此的小，以至於一粒塵埃都可能將其堵塞。這個技術開發領域被稱為微流控技術。理論上，這些封裝在和顯微鏡載片大小相當的晶元中的分析物，會帶來快速、自動診斷：樣本進去，答案出來；整個過程是如此簡單，以至於新手也會使用它。不過，在實踐中，這些設備極少以這種方式運作。通常，對樣本的一些預處理是需要的。

諸如Di Carlo等研究人員正在解決這些短板以便使晶元更容易生產，並且嘗試利用各種材料和設計。他們正在解決諸如預測流體在狹小空間內的行為、確定如何讓晶元變得高效且廉價等挑戰。日本沖繩科學技術大學院大學化學工程師Amy Shen介紹說，解決這些問題需要跨學科的方法。回報則是實驗室成本和時間上的節約，以及加速遺傳和傳染性疾病診斷的醫療設備的出現。

製造3D晶元

製造微晶元的大多數技術產生的是二維設計。但有些時候，三維結構非常有用。在Di Carlo正在進行的晶元設計中，他利用磁場將液體從狹窄的通道中吸出然後注入更高、更寬的通道中。隨著液體開始在較大的腔室內擴散，表面張力使其形成一個作為液滴存在的球體。「現在，這基本上是一個納升的吸液管，因此不可能手動操作。」Di Carlo介紹說。這種分割使晶元得以將血液等液體分進多個獨立的反應室中，從而使很多測試能被同時開展。

為製造3D晶元，科學家通常不得不將連續多層聚合物堆進光刻模具中。不過，一種入門級方法的設計者們表示，3D列印正在改變這一切，因為它既不需要很多經驗，也不需要很多設備。荷蘭瓦赫寧根大學化學家Vittorio Saggiomo偶然萌生了這個想法。Saggiomo利用3D列印獲得了諸如小照明燈、移液管把手等塑料工具以及鳥舍等有趣的東西。有一天，他將3D列印的星球大戰頭盔淹沒在丙酮中以便讓表面變得平緩。但由於放在裡面的時間過長，整個頭盔被溶解了。Saggiomo意識到，他可以用相同的方法形成微通道。

他和同事Aldrik Velders調整了這一流程，以便在實驗室中使用。他們利用3D印表機創建了想要的通道形狀，然後將這片塑料懸浮在聚二甲基硅氧烷中。隨後，他們將其放在丙酮中浸了一晚上，從而使塑料溶解。這留下了一塊隨時可用的晶元。Saggiomo和Velders正在利用這一策略產生否則將很難製作的線圈式或者相互交織的通道。例如，他們設計了一款順直通道被線圈式通道包圍的晶元。Saggiomo介紹說，用戶可以讓熱的或者冷的液體流過這個線圈，並且因此改變樣品的溫度。

與此同時，即便是標準的生產流程，晶元設計者也在利用諸如人字形、角度、波形曲線等通道布局，從而變得富有創造性。Di Carlo表示，儘管該領域正開始形成標準化的設計，但在設計液體狹窄的通道方面仍有很多變化的空間。

血液分解

麻省綜合醫院機械工程師Shannon Stott及其團隊在製作一款晶元時進行了多次迭代嘗試，然後才確定了目前的形式。他們正在致力於液體活檢—— 一種利用血液中的遺傳線索探測和診斷疾病的方法。其目標是創建一個能純化微創性血液樣本中的循環腫瘤細胞（CTC）並對其進行分析的系統。他們將這一設計稱為CTC-iChip，其中i代表「慣性聚集」。這是一種被用於將細胞排成單列從而使晶元能將CTC從其他血液細胞中分離出來的技術。此外，上述晶元還使Stott團隊得以計算出病人血液樣本中的CTC並且研究其遺傳構成。

由塑料製成的CTC-iChip將3個步驟整合進一個設備。在第一階段，晶元消除不想要的血液成分。科學家利用磁珠標記白血球，然後使流體通過一個含有一系列塑料柱的腔室。諸如紅細胞、蛋白質等較小的成分會像飛蛾飛過茂密的森林一樣迅速通過，較大的細胞如白血球和罕見的CTC更像笨拙的熊。隨著它們從柱子上彈開，大的細胞被引入第二階段——將細胞排成單列的S曲線。在第三階段，上述設備利用磁體將白血球從隊列中過濾出來，從而留下CTC。

Di Carlo的實驗室利用散布著一系列邊室的通道，發明了自己的微流控方法以對血液樣本進行分類。當時，他以前的學生、如今是約翰斯·霍普金斯大學機械工程師的SJ Claire Hur注意到，較大的細胞會被困在由微流體通道拓寬而創建的旋渦中，很像樹葉和垃圾在河流拐彎處或岩石附近堆積。該團隊設計了一個系統，利用該特性將CTC分離出來用於後續分析。如今，該系統已由位於加州門洛帕克市的Vortex生物科學公司生產出來。研究人員正利用Vortex的機器開展臨床研究，以辨別CTC上可能表明腫瘤將在多大程度上對特定免疫療法作出響應的標記物。整個裝置比微波爐稍大一些，使其不太像很多科學家想要的一體化「晶元實驗室」，而更像「實驗室中的晶元」。

Di Carlo表示，通常「實驗室中的晶元」設計也還不錯。它比傳統方法省錢，並且通過讓試驗者之間的差異最小化改善了結果。不過，真正的晶元實驗室設備會讓發展中國家的診所或者野外台站開展快速基因檢測成為可能。在這些地方，購買、運行聚合酶鏈反應機器或離心機來分離血液樣本可能是不現實的。

四處奔走的實驗室

工程師們已經提出了各種可能的解決方案。比如，一些人正在研發由紙製成、能擴增並檢測血液樣本中傳染性微生物基因的廉價設備。德國Hain生命科學公司則設計了探測特定DNA序列的條狀測試劑，其中一些通過尋找APOE基因變異體可確定某人患上阿爾茨海默氏症的風險。

另一個挑戰是如何將罕見遺傳物質擴增到足以使其在野外被探測到。Hashsham介紹說，標準的聚合酶鏈反應法需要重複加熱、冷卻樣本至精確的溫度。然而，很難設計出能在這些溫度間轉換的小型、廉價、可攜帶設備。「在野外，冷熱循環從來不起作用。」

Hashsham在其手持微流體設備中採用了序列擴增的另一種替代方法。該設備可辨別並量化諸如標記癌症的微小RNA等已知序列或傳染性生物體基因。這種名為環介導等溫擴增法的反應利用一種來自微流體設備的不同的酶，並且不需要任何溫度循環。研究人員將唾液等體液樣本同將被併入反應中產生的任何DNA的熒光染料混合，然後利用注射器將其推進通往16個單獨腔室的通道。在那裡，DNA擴增試劑被預先裝入、乾燥並且作好準備。在反應完成後，該設備利用發光二極體和感測器探測指示陽性反應的染料。

不過，Hashsham表示，現在的挑戰是說服資助者生產無法立即盈利的設備，因為他想將其用於非洲等落後地區。在這些地方，快速診斷能改變醫學實踐並且拯救生命。（宗華編譯）

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