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研究人员开发出诊断癌症的3D打印芯片,仅一厘米大小!

字号+ 作者:基因谷 来源: 3D虎 2017-02-23 16:25 我要评论( )

医学诊断感觉像变魔术一样。只需几滴血,医生就可以快速解读病人的健康状况,如生物标记水平是否在范围内?有感染的迹象吗?患者的细胞是健康的,还是有癌变迹象? 在诊断生命和呼吸技术方面,大多数实验室测试主要依赖专业机械和技术人员团队,以确保他们安

医学诊断感觉像变魔术一样。只需几滴血,医生就可以快速解读病人的健康状况,如生物标记水平是否在范围内?有感染的迹象吗?患者的细胞是健康的,还是有癌变迹象?

在诊断生命和呼吸技术方面,大多数实验室测试主要依赖专业机械和技术人员团队,以确保他们安全和正确地完成诊断。这是一个非常昂贵的花费,即使是最基本的设备,可能花费也是数千美元,远远超过发展中国家能够承受的价格。例如,分离血液的不同组分的离心机。

在没有更便宜的选择情况下,许多国家深受艾滋病毒或疟疾影响。对这些国家的人来说,现代诊断也许是魔术。

现在,一个斯坦福工程师团队已经找到了一个更便宜的替代品。在美国国家科学院学报中发表的一项研究描述了一种可重复使用的小型微芯片,可以诊断多种疾病。

据悉,每个芯片是通过标准喷墨打印,只需要20分钟即可组装。

“据我们所知,这样一个具有类似功能、成本和优势的平台尚未被报道,”该团队领导者Ronald Davis博士在他们的论文总结中说道。

“这真的是一个大的突破,”斯克里普斯翻译科学研究所的Eric Topol博士说。 

“我不知道用什么词来形容”。

 

诊断:从物理实验室到芯片实验室

当像HIV或疟疾这样的疾病发作时,并不是每个细胞都会被感染。为了获得准确的数据,科学家经常首先尝试隔离罪魁祸首细胞。

由于患病人群的细胞通常是比健康细胞小得多,科学家经常需要用特殊标记标记他们,以使机器可靠地挑选它们。这一步是漫长而艰难的,不是所有的靶细胞都标记有标记,有时标记本身可以改变细胞的特性,这会中断随后的读数。

大约15年前,科学家开始探索将整个过程简化和小型化的可能性。大多数细胞和生物分子具有不同的性质,如大小、形状、密度和电荷。利用这些属性,科学家做了几十个专门的传感器,只捕获具有特定属性的生物颗粒。

当与微流体(一种处理少量液体的技术)结合时,传感器即将从血液和其他生物样品的液滴中分离血细胞、螯合细菌,或抓住各种蛋白质和DNA分子。就是这样,实验室第一个芯片器件诞生了。

几乎在同一时刻,全球卫生倡导者意识到这些便携式诊断设备对于帮助贫穷的发展中国家的潜力。

研究作者Rahim Esfandyarpour博士向Singularity Hub说,“[这些]平台通常需要使用无尘室、先进的设备和经过高度培训的人员来执行制造程序。这整个过程可能需要几天或几周。”

 

柔性喷墨纳米颗粒印刷生物芯片

为了规避这些问题, Davis的团队转向一个令人惊讶的制造设备:喷墨打印机。

新的芯片称为FINP芯片,是一种模块化的三层夹心结构,顶部可重复使用的层由直接印刷在柔性聚乙烯片上的市售导电颗粒制成。底层是设计成保持生物流体的一次性硅胶腔室。薄的绝缘阻挡层将顶部电子器件与硅胶腔室隔开。

制造芯片是一个简单的两步过程。

首先,用户可以使用任何矢量绘图软件(例如Adobe Illustrator)绘制定制的电子配置。由于不同的配置可用于不同的诊断目的,此步骤可根据用户的确切需要定制芯片。

接下来,使用任何喷墨打印机,将绘制的电子图案印刷在便宜的塑料状片材上,并且冲压到可以批量供应给用户的一次性使用的腔室上。

就像3D打印一样,这些设计最终可以下载,允许任何打印机在需要时生成自己的生物芯片。

“生产只需要20分钟,”Esfandyarpour说。

与之前的微芯片类似,FINP芯片基于其固有的电性能分离细胞和生物分子。作为概念验证,该团队设计了一种具有两种类型腔室的芯片:一种分离细胞,另一种分析细胞。然后他们通过一系列实验运行器件来验证芯片。

在一个测试中,团队显示该装置可以有效地从流体样品中捕获乳腺癌细胞。与大多数生物分子(如蛋白质和DNA)类似,癌细胞具有独特的表面电荷。通过操纵电子领域,研究人员能够将癌细胞导向芯片上的特定室,并将其捕获在那里,远离所有其他细胞类型。

由于选择罕见的循环肿瘤细胞的能力可以增加我们对癌症转移的了解,该设备可以帮助我们检测疾病的早期传播和拯救生命。这对发展中国家来说非常重要。

在另一个实验中,团队想要查看芯片是否可以用于精确计数给定样品中的细胞数。免疫细胞计数通常用于诊断感染性疾病,如结核病和疟疾。传统上使用称为流式细胞术的技术,设备花费10万美元。使用芯片,其诊断结果也表现良好。

 

民主化诊断

FNIP芯片是节俭科学的最新胜利,其为世界各地的医生带来便宜、便携和可靠的工具。

在此之前,你可能听说过一些以前的设计,如一个只需50美分的可折叠显微镜,或一个不需要电的纸离心机。

Davis和他的团队正在努力使他们的芯片商业化。

“任何用于诊断或其他生物医学应用的平台在商业化之前都必须通过几个测试,以此验证和优化路径。”Esfandyarpour说。

“我们相信,这项工作将使更多的资源贫乏的发展中国家的个人获得诊断工具,”Davis说。

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