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挑戰: 設計、開(kāi)發(fā)并制造一種能夠檢測和分離循環(huán)腫瘤細胞（CTC）或母血中的胎兒細胞的工具，前者的目的是研究腫瘤學(xué)中的個(gè)體化治療，后者是為了實(shí)現無(wú)創(chuàng )性產(chǎn)前診斷。 解決方案: 開(kāi)發(fā)一種名為“芯片實(shí)驗室”的專(zhuān)利技術(shù)，該技術(shù)利用活性硅襯底的微電子特性，可制造微型生物實(shí)驗室，借助NI嵌入式控制器對懸浮細胞分別單獨操作。 作者: S. Gianni - SILICON BIOSYSTEMS N. Maranesi - SILICON BIOSYSTEMS G. Medoro - SILICON BIOSYSTEMS F. Malerba - SKY TECHNOLOGY Silicon Biosystems公司的技術(shù)基于電場(chǎng)能夠對懸浮在液體中的中性可極化粒子（比如細胞）施加作用力的能力。按照這種稱(chēng)為介電泳（DEP）的動(dòng)電學(xué)原理，非均勻電場(chǎng)中的中性粒子會(huì )受到一個(gè)空間上電場(chǎng)強度沿（正）介電泳（pDEP）增加方向或者（負）介電泳（nDEP）減少方向的力。更具體地說(shuō)，粒子由于其自身的電特性受到正介電泳力或負介電泳力，這種電特性取決于頻率，以及粒子所懸浮于的介質(zhì)的屬性（圖1）。 
在DEPArray系統中，電場(chǎng)產(chǎn)生于硅芯片（圖2a）的表面，該表面直接與細胞懸浮于其中的微流體腔相連。微流體腔被芯片表面以及距離芯片表面幾十微米的透明覆蓋面所封閉�；钚孕酒谋砻鎸�(shí)現了微單元的二維陣列，每一個(gè)微單元由平面電極和集成邏輯電路組成（圖2b）。當被放到與電極相對應的區域中時(shí)，每一個(gè)電極可以通過(guò)編程產(chǎn)生一個(gè)勢阱或介電籠。在每一個(gè)介電籠中，粒子可以處于穩定的懸浮狀態(tài)，從而實(shí)現單獨分析。因為每一個(gè)細胞都是被單獨分析，系統能夠實(shí)現基于熒光的復雜分析，從而可以識別令靶細胞區別于其它成千上萬(wàn)受污染細胞的獨有特性。靶細胞能夠獨立，但也是同時(shí)地被移動(dòng)到芯片的某個(gè)區域，微流體控制在那里將它們自動(dòng)回收。 DEPArray系統 我們的專(zhuān)利平臺DEPArray，是一個(gè)靈活且易于使用的先進(jìn)技術(shù)系統（圖4）。系統的核心是一個(gè)微芯片，它在一個(gè)微流體電路中集成了包含30萬(wàn)個(gè)電極的陣列。 DEPArray系統使用NI公司的硬件和軟件來(lái)管理高精密機械、微流體、現成可商用的電子和自定義工具，以及視覺(jué)和圖像處理。系統允許用戶(hù)進(jìn)行的工作流程概括為以下的基本步驟： * 通過(guò)微流體控制裝載樣本 * 在明視場(chǎng)和熒光下獲取圖像 * 分析圖像 * 通過(guò)圖形用戶(hù)界面識別并選擇靶細胞 * 自動(dòng)對識別的靶細胞進(jìn)行分類(lèi) * 通過(guò)微流體控制對靶細胞進(jìn)行回收 樣品裝載 樣品裝載是一個(gè)非常精細的過(guò)程。我們使用NI LabVIEW軟件控制泵裝置產(chǎn)生所需的壓力梯度，從而使樣品從入口槽流到微流體腔內的芯片上。系統使用由NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊的視覺(jué)庫開(kāi)發(fā)的算法，實(shí)現裝載過(guò)程的自動(dòng)監視與控制。 捕獲與分析 一旦樣品被裝載到芯片上，LabVIEW就會(huì )控制所有的I/O線(xiàn)，對電極陣列進(jìn)行配置，將細胞關(guān)在籠中，并使它們在流程的所有階段都保持懸浮，從而保證強而可靠的系統控制。 樣品分析是通過(guò)熒光以及明視場(chǎng)下的多重濾光器對芯片表面進(jìn)行光學(xué)掃描而實(shí)現的。LabVIEW控制置有芯片的處理系統并以微米級的精度進(jìn)行捕獲、圖像處理，并對獲取自顯微鏡的高精度數字圖像進(jìn)行視覺(jué)化處理。 選擇靶細胞 在這個(gè)步驟中，DEPArray系統為用戶(hù)提供了強大的人機界面（HMI），它由LabVIEW結合Microsoft .NET framework開(kāi)發(fā)，對靶細胞進(jìn)行分類(lèi)和選擇（圖3）�？梢允褂貌煌姆椒▽毎M(jìn)行分析，從而驗證它們的性質(zhì)。人機界面展示了分析測量結果的散點(diǎn)圖或直方圖，并提供了圖像上所有測量結果的列表顯示。對于被選中的每一個(gè)細胞，分析中捕獲的圖像也被顯示出來(lái)，從而允許用戶(hù)將計算機測量的結果與形態(tài)學(xué)評估結合起來(lái)。 自動(dòng)分類(lèi) 在這個(gè)步驟中，根據細胞地圖和障礙物，LabVIEW動(dòng)態(tài)地配置芯片電極陣列，使其能夠單獨而同時(shí)地把每一個(gè)感興趣的細胞從初始位置移動(dòng)到回收點(diǎn)。數字化控制每一個(gè)感興趣細胞的移動(dòng)，使系統獲得高分類(lèi)純度，以及無(wú)與倫比的性能。 回收 在這個(gè)步驟中，LabVIEW與蠕動(dòng)泵裝置進(jìn)行交互，產(chǎn)生所需的壓力梯度，使回收介質(zhì)（比如微流體腔中的阱或者玻片）中包含所選細胞的緩沖物部分向下流動(dòng)。分類(lèi)和回收過(guò)程可以重復進(jìn)行，以分別收集多個(gè)細胞或多組凈化的細胞，從而使用傳統的分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行基因分析。 結論 Silicon Biosystems公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)，充分利用了NI的軟硬件與 Sky Technology公司的技術(shù)，為一系列研究活動(dòng)提供了方法，這些研究旨在分離循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）以研究腫瘤學(xué)中的個(gè)體化治療，以及識別母血中的胎兒細胞，從而實(shí)現無(wú)創(chuàng )性產(chǎn)前診斷。 |
