打造醫(yī)療微芯片 將芯片融入醫(yī)療診斷中

醫(yī)療微芯片可被用于微流體系統(tǒng)，以分析來自單細(xì)胞樣本的基因組信息。

美國加州大學(xué)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，看上去有點像得了黃疸。工程師在一間無塵室中工作。

房間里，過濾后的空氣穩(wěn)定地流動著，將微粒去除。藍(lán)色或者紫色的光線使他們用的光感材料變硬，因此工程師將房間里的燈光限制為奶黃色。

他們和這個領(lǐng)域的其他人正在構(gòu)建用于制備血液和其他流體樣本的工具以診斷基因變異物，比如癌癥細(xì)胞所攜帶的突變。很少有此類工具需要無塵室，但這些工具取決于流體穿過通道的能力。然而，通道是如此的小，以至于一粒塵埃都可能將其堵塞。這個技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域被稱為微流控技術(shù)。理論上，這些封裝在和顯微鏡載片大小相當(dāng)?shù)男酒械姆治鑫飼砜焖?、自動診斷：樣本進(jìn)去，答案出來；整個過程是如此簡單，以至于新手也會使用它。不過，在實踐中，這些設(shè)備極少以這種方式運作。通常，對樣本的一些預(yù)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芯片更容易生產(chǎn)，并且嘗試?yán)酶鞣N材料和設(shè)計。他們正在應(yīng)對諸如預(yù)測流體在狹小空間內(nèi)的行為、確定如何讓芯片變得高效且廉價等挑戰(zhàn)。日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究所化學(xué)工程師Amy Shen介紹說，解決這些問題需要跨學(xué)科的方法?；貓髣t是實驗室成本和時間上的節(jié)約，以及加速遺傳和傳染性疾病診斷的醫(yī)療設(shè)備的出現(xiàn)。

制造微芯片的大多數(shù)技術(shù)產(chǎn)生的是二維設(shè)計。但有些時候，三維結(jié)構(gòu)非常有用。在Di Carlo正在進(jìn)行的芯片設(shè)計中，他利用磁場將液體從狹窄的通道中吸出然后注入更高、更寬的通道中。隨著液體開始在較大的腔室內(nèi)擴散，表面張力使其形成一個作為液滴存在的球體。“現(xiàn)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。這種分割使芯片得以將血液等液體分進(jìn)多個獨立的反應(yīng)室中，從而使很多測試能同時開展。

為制造3D芯片，科學(xué)家通常不得不將連續(xù)多層聚合物堆進(jìn)光刻模具中。不過，一種入門級方法的設(shè)計者表示，3D打印正在改變這一切，因為它既不需要很多經(jīng)驗，也不需要很多設(shè)備。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)化學(xué)家Vittorio Saggiomo偶然萌生了這個想法。Saggiomo利用3D打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打印的星球大戰(zhàn)頭盔淹沒在丙酮中以便讓表面變得平緩。但由于放在里面的時間過長，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(diào)整了這一流程，以便在實驗室中使用。他們利用3D打印機創(chuàng)建了想要的通道形狀，然后將這片塑料懸浮在聚二甲基硅氧烷中。隨后，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芯片。Saggiomo和Velders正在利用這一策略生產(chǎn)否則將很難制作的線圈式或者相互交織的通道。例如，他們設(shè)計了一款順直通道被線圈式通道包圍的芯片。Saggiomo介紹說，用戶可以讓熱的或者冷的液體流過這個線圈，并且因此改變樣品的溫度。

與此同時，即便是標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程，芯片設(shè)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(chuàng)造性。Di Carlo表示，盡管該領(lǐng)域正開始形成標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，但在設(shè)計液體狹窄的通道方面仍有很多變化的空間。

馬薩諸塞州綜合醫(yī)院機械工程師Shannon Stott及其團(tuán)隊在制作一款芯片時進(jìn)行了多次迭代嘗試，然后才確定了目前的形式。他們正在致力于液體活檢—— 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(biāo)是創(chuàng)建一個能純化微創(chuàng)性血液樣本中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）并對其進(jìn)行分析的系統(tǒng)。他們將這一設(shè)計稱為CTC－iChip，其中i代表“慣性聚集”。這是一種被用于將細(xì)胞排成單列從而使芯片能將CTC從其他血液細(xì)胞中分離出來的技術(shù)。此外，上述芯片還使Stott團(tuán)隊得以計算出病人血液樣本中的CTC并且研究其遺傳構(gòu)成。

由塑料制成的CTC－iChip將3個步驟整合進(jìn)一個設(shè)備。在第一階段，芯片消除不想要的血液成分?？茖W(xué)家利用磁珠標(biāo)記白血球，然后使流體通過一個含有一系列塑料柱的腔室。諸如紅細(xì)胞、蛋白質(zhì)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(xì)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(xì)胞被引入第二階段——將細(xì)胞排成單列的S曲線。在第三階段，上述設(shè)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(fā)明了自己的微流控方法以對血液樣本進(jìn)行分類。當(dāng)時，他以前的學(xué)生、如今是約翰斯·霍普金斯大學(xué)機械工程師的SJ Claire Hur注意到，較大的細(xì)胞會被困在由微流體通道拓寬而創(chuàng)建的旋渦中，很像樹葉和垃圾在河流拐彎處或巖石附近堆積。該團(tuán)隊設(shè)計了一個系統(tǒng)，利用該特性將CTC分離出來用于后續(xù)分析。如今，該系統(tǒng)已由位于加州門洛帕克市的Vortex生物科學(xué)公司生產(chǎn)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(yīng)的標(biāo)記物。整個裝置比微波爐稍大一些，使其不太像很多科學(xué)家想要的一體化“芯片實驗室”，而更像“實驗室中的芯片”。

Di Carlo表示，通常“實驗室中的芯片”設(shè)計也還不錯。它比傳統(tǒng)方法省錢，并且通過讓試驗者之間的差異最小化改善了結(jié)果。不過，真正的芯片實驗室設(shè)備會讓發(fā)展中國家的診所或者野外臺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(yīng)機器或離心機分離血液樣本可能是不現(xiàn)實的。

工程師已經(jīng)提出了各種可能的解決方案。比如，一些人正在研發(fā)由紙制成、能擴增并檢測血液樣本中傳染性微生物基因的廉價設(shè)備。德國Hain生命科學(xué)公司則設(shè)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癥的風(fēng)險。

另一個挑戰(zhàn)是如何將罕見遺傳物質(zhì)擴增到足以使其在野外被探測到。密歇根州立大學(xué)環(huán)境工程師Syed Hashsham介紹說，標(biāo)準(zhǔn)的聚合酶鏈反應(yīng)法需要重復(fù)加熱、冷卻樣本至精確的溫度。然而，很難設(shè)計出能在這些溫度間轉(zhuǎn)換的小型、廉價、可攜帶設(shè)備。“在野外，冷熱循環(huán)從來不起作用。”

Hashsham在手持微流體設(shè)備中采用了序列擴增的另一種替代方法。該設(shè)備可辨別并量化諸如標(biāo)記癌癥的微小RNA等已知序列或傳染性生物體基因。這種名為環(huán)介導(dǎo)等溫擴增法的反應(yīng)利用一種來自微流體設(shè)備的不同的酶，并且不需要任何溫度循環(huán)。研究人員將唾液等體液樣本同將被并入反應(yīng)中的熒光染料混合，然后利用注射器將其推進(jìn)通往16個單獨腔室的通道。在那里，DNA擴增試劑被預(yù)先裝入、干燥并且做好準(zhǔn)備。在反應(yīng)完成后，該設(shè)備利用發(fā)光二極管和傳感器探測指示陽性反應(yīng)的染料。

不過，Hashsham表示，現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是說服資助者生產(chǎn)無法立即盈利的設(shè)備，因為他想將其用于非洲等落后地區(qū)。在這些地方，快速診斷能改變醫(yī)學(xué)實踐并拯救生命。