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微流控设备使遗传疾病诊断更加简单
来源:中国科学报      作者:宗华      时间:2017-06-29 00:00      关键词:

该芯片可被用于微流体系统,以分析来自单细胞样本的基因组信息。图片来源:Fluidigm

美国加州大学洛杉矶分校Dino Di Carlo实验室的生物工程师每天有很多时间都裹在从头到脚的衣服中,看上去有点像得了黄疸。工程师在一间无尘室中工作。

房间里,过滤后的空气稳定地流动着,将微粒去除。蓝色或者紫色的光线使他们用的光感材料变硬,因此工程师将房间里的灯光限制为奶黄色。

他们和这个领域的其他人正在构建用于制备血液和其他流体样本的工具以诊断基因变异物,比如癌症细胞所携带的突变。很少有此类工具需要无尘室,但这些工具取决于流体穿过通道的能力。然而,通道是如此的小,以至于一粒尘埃都可能将其堵塞。这个技术开发领域被称为微流控技术。理论上,这些封装在和显微镜载片大小相当的芯片中的分析物会带来快速、自动诊断:样本进去,答案出来;整个过程是如此简单,以至于新手也会使用它。不过,在实践中,这些设备极少以这种方式运作。通常,对样本的一些预处理是需要的。

诸如Di Carlo等研究人员正在解决这些短板以便使芯片更容易生产,并且尝试利用各种材料和设计。他们正在应对诸如预测流体在狭小空间内的行为、确定如何让芯片变得高效且廉价等挑战。日本冲绳科学技术研究所化学工程师Amy Shen介绍说,解决这些问题需要跨学科的方法。回报则是实验室成本和时间上的节约,以及加速遗传和传染性疾病诊断的医疗设备的出现。

制造3D芯片

制造微芯片的大多数技术产生的是二维设计。但有些时候,三维结构非常有用。在Di Carlo正在进行的芯片设计中,他利用磁场将液体从狭窄的通道中吸出然后注入更高、更宽的通道中。随着液体开始在较大的腔室内扩散,表面张力使其形成一个作为液滴存在的球体。“现在,这基本上是一个纳升的吸液管,因此不可能手动操作。”Di Carlo介绍说。这种分割使芯片得以将血液等液体分进多个独立的反应室中,从而使很多测试能同时开展。

为制造3D芯片,科学家通常不得不将连续多层聚合物堆进光刻模具中。不过,一种入门级方法的设计者表示,3D打印正在改变这一切,因为它既不需要很多经验,也不需要很多设备。荷兰瓦赫宁根大学化学家Vittorio Saggiomo偶然萌生了这个想法。Saggiomo利用3D打印获得了诸如小照明灯、移液管把手等塑料工具以及鸟舍等有趣的东西。有一天,他将3D打印的星球大战头盔淹没在丙酮中以便让表面变得平缓。但由于放在里面的时间过长,整个头盔被溶解了。Saggiomo意识到,他可以用相同的方法形成微通道。

他和同事Aldrik Velders调整了这一流程,以便在实验室中使用。他们利用3D打印机创建了想要的通道形状,然后将这片塑料悬浮在聚二甲基硅氧烷中。随后,他们将其放在丙酮中浸了一晚上,从而使塑料溶解。这留下了一块随时可用的芯片。Saggiomo和Velders正在利用这一策略生产否则将很难制作的线圈式或者相互交织的通道。例如,他们设计了一款顺直通道被线圈式通道包围的芯片。Saggiomo介绍说,用户可以让热的或者冷的液体流过这个线圈,并且因此改变样品的温度。

与此同时,即便是标准的生产流程,芯片设计者也在利用诸如人字形、角度、波形曲线等通道布局,从而变得富有创造性。Di Carlo表示,尽管该领域正开始形成标准化的设计,但在设计液体狭窄的通道方面仍有很多变化的空间。

血液分解

马萨诸塞州综合医院机械工程师Shannon Stott及其团队在制作一款芯片时进行了多次迭代尝试,然后才确定了目前的形式。他们正在致力于液体活检—— 一种利用血液中的遗传线索探测和诊断疾病的方法。其目标是创建一个能纯化微创性血液样本中的循环肿瘤细胞(CTC)并对其进行分析的系统。他们将这一设计称为CTC-iChip,其中i代表“惯性聚集”。这是一种被用于将细胞排成单列从而使芯片能将CTC从其他血液细胞中分离出来的技术。此外,上述芯片还使Stott团队得以计算出病人血液样本中的CTC并且研究其遗传构成。

由塑料制成的CTC-iChip将3个步骤整合进一个设备。在第一阶段,芯片消除不想要的血液成分。科学家利用磁珠标记白血球,然后使流体通过一个含有一系列塑料柱的腔室。诸如红细胞、蛋白质等较小的成分会像飞蛾飞过茂密的森林一样迅速通过,较大的细胞如白血球和罕见的CTC更像笨拙的熊。随着它们从柱子上弹开,大的细胞被引入第二阶段——将细胞排成单列的S曲线。在第三阶段,上述设备利用磁体将白血球从队列中过滤出来,从而留下CTC。

Di Carlo的实验室利用散布着一系列边室的通道,发明了自己的微流控方法以对血液样本进行分类。当时,他以前的学生、如今是约翰斯·霍普金斯大学机械工程师的SJ Claire Hur注意到,较大的细胞会被困在由微流体通道拓宽而创建的旋涡中,很像树叶和垃圾在河流拐弯处或岩石附近堆积。该团队设计了一个系统,利用该特性将CTC分离出来用于后续分析。如今,该系统已由位于加州门洛帕克市的Vortex生物科学公司生产出来。研究人员正利用Vortex的机器开展临床研究,以辨别CTC上可能表明肿瘤将在多大程度上对特定免疫疗法作出响应的标记物。整个装置比微波炉稍大一些,使其不太像很多科学家想要的一体化“芯片实验室”,而更像“实验室中的芯片”。

Di Carlo表示,通常“实验室中的芯片”设计也还不错。它比传统方法省钱,并且通过让试验者之间的差异最小化改善了结果。不过,真正的芯片实验室设备会让发展中国家的诊所或者野外台站开展快速基因检测成为可能。在这些地方,购买、运行聚合酶链反应机器或离心机分离血液样本可能是不现实的。

四处奔走的实验室

工程师已经提出了各种可能的解决方案。比如,一些人正在研发由纸制成、能扩增并检测血液样本中传染性微生物基因的廉价设备。德国Hain生命科学公司则设计了探测特定DNA序列的条状测试剂,其中一些通过寻找APOE基因变异体可确定某人患上阿尔茨海默氏症的风险。

另一个挑战是如何将罕见遗传物质扩增到足以使其在野外被探测到。密歇根州立大学环境工程师Syed Hashsham介绍说,标准的聚合酶链反应法需要重复加热、冷却样本至精确的温度。然而,很难设计出能在这些温度间转换的小型、廉价、可携带设备。“在野外,冷热循环从来不起作用。”

Hashsham在手持微流体设备中采用了序列扩增的另一种替代方法。该设备可辨别并量化诸如标记癌症的微小RNA等已知序列或传染性生物体基因。这种名为环介导等温扩增法的反应利用一种来自微流体设备的不同的酶,并且不需要任何温度循环。研究人员将唾液等体液样本同将被并入反应中的荧光染料混合,然后利用注射器将其推进通往16个单独腔室的通道。在那里,DNA扩增试剂被预先装入、干燥并且做好准备。在反应完成后,该设备利用发光二极管和传感器探测指示阳性反应的染料。

不过,Hashsham表示,现在的挑战是说服资助者生产无法立即盈利的设备,因为他想将其用于非洲等落后地区。在这些地方,快速诊断能改变医学实践并拯救生命。(宗华编译)


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