分享一篇2017年2月的PNAS，來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的工作，超低成本的稀有細(xì)胞分離富集微流控芯片，充滿了工程學(xué)的解決問題思路，我覺得是很出色的工作。

稀有細(xì)胞（rare cells）是指含量<100個細(xì)胞/毫升全血的細(xì)胞，這些細(xì)胞在血液和組織中含量非常少，例如干細(xì)胞、循環(huán)內(nèi)皮細(xì)胞、循環(huán)腫瘤細(xì)胞核殘留病變細(xì)胞。分離檢測稀有細(xì)胞對于重大疾病的早期診斷有非常重要的作用，例如瘧疾、肺結(jié)核、艾滋病和癌癥，這些致命疾病如果能通過對稀有細(xì)胞的分析完成早期診斷，控制病情乃至治愈的可能性將大大提高，減少病患痛苦，減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)。

要實現(xiàn)這一目的，就要求從復(fù)雜的血液體系中快速準(zhǔn)確地分離出我們想要檢測的少量目的細(xì)胞并進(jìn)行分類處理、純化或富集。目前常用的實驗室分析通常需要對目的細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，引入外來標(biāo)記分子以增強(qiáng)檢出敏感度，但是這種手段可能會使得后續(xù)純化步驟非常復(fù)雜，而且標(biāo)記物有可能影響細(xì)胞原有性質(zhì)。非常復(fù)雜，耗時耗力，花費也很高。

近些年非常熱門的芯片實驗室（lab on a chip, LOC）概念或許能解決這一困難。LOC指的是將一系列實驗室操作集成到一個非常小的芯片上，只需極少量（微升甚至納升級別）液體樣品，就可以在生物芯片上自動完成操控分析。在許許多多的實驗室分析技術(shù)當(dāng)中，電動力學(xué)相關(guān)的技術(shù)尤其適合在芯片上實現(xiàn)，因為電場的方向、頻率、振幅等參數(shù)都很容易精確控制，而且電泳、電滲、滲透電泳、毛細(xì)滲透等原理在生化分析方面有非常廣泛而重要的應(yīng)用。利用各向異性電場誘導(dǎo)受試樣品（血細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞、血小板、蛋白質(zhì)、DNA分子等等）產(chǎn)生電偶極矩，就可以將不同性質(zhì)的生物樣品分離開，而且通過操控電場實現(xiàn)的生物樣品分析不需要引入外來標(biāo)記物，避免了標(biāo)記可能帶來的問題。

LOC技術(shù)具有的快速、準(zhǔn)確、無外來標(biāo)記物等特點使其非常適合與即時檢測（point of care testing, POC testing）相結(jié)合，然而目前仍少有這方面的研究報道。即時檢測，又稱床邊檢測，顧名思義指的是就近、簡便、迅速的檢測手段。能夠短時間在患者身邊進(jìn)行簡單的檢查和診斷，有利于醫(yī)生和護(hù)士進(jìn)行迅速處理?；颊咭部梢栽诩易孕惺褂肞OC設(shè)備，就可以方便對慢性疾病的持續(xù)性檢查。而在醫(yī)療條件仍比較落后的發(fā)展中國家和地區(qū)，POC檢測對于上文提到的瘧疾、HIV、腫瘤等致命疾病的早期診斷具有非常重要的作用，而盡早診斷并介入治療可有效提高病患存活率并降低醫(yī)療支出，因此開發(fā)低成本的POC檢測設(shè)備對于發(fā)展中國家和地區(qū)醫(yī)療具有重要意義，這也正是這一工作的研究目標(biāo)。

這一工作的主要內(nèi)容是將LOC技術(shù)應(yīng)用于POC檢測，制造超低成本、一次性可拋棄的生物芯片，用于稀有細(xì)胞的分離與富集，以發(fā)展快速、便捷、廉價的重大疾病早期檢測方案。

這一工作設(shè)計的微流控納米噴墨電子檢測平臺為多層堆疊結(jié)構(gòu)，下層是具有微孔結(jié)構(gòu)的PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate）柔性高分子薄膜，表面由可導(dǎo)電納米粒子噴印形成電路結(jié)構(gòu)；上層是PDMS（聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane）微流控芯片；中間層是絕緣薄膜，用于分隔開微流控芯片和電路結(jié)構(gòu)，圖1所示即為平臺裝置示意圖。噴墨打印的分辨率可達(dá)20微米，整個平臺設(shè)備成本只需1美分，約20min即可制作完成。

圖1. 微流控納米噴墨電子檢測平臺設(shè)計示意圖 A)用噴墨打印機(jī)將含導(dǎo)電納米顆粒的“墨水”噴印在PET底物薄膜上形成電路；B）1. PET柔性電路板；2. 粘附在絕緣膜上的PDMS微流控芯片

在這一平臺中，絕緣層和微流控芯片為一次性使用后即可拋棄的，而PET柔性電路板可回收并重復(fù)使用，同時開發(fā)者可以通過開源軟件自主設(shè)計電路，使這個平臺擁有非常高的擴(kuò)展性，可實現(xiàn)各類檢測目標(biāo)，圖2為實物圖。這種使用微流控芯片的檢測方式不需要任何標(biāo)記物，即可實現(xiàn)高通量檢測。 

圖2. D)檢測平臺實物圖 F) PET柔性電路板實物圖

為了驗證噴墨微流控測試平臺的作用，將不同尺寸（直徑5微米和10微米）的PS（聚苯乙烯，polystyrene）微球表面包覆上鏈霉親和素，制成PMS微球以模擬細(xì)胞，這種微球的大小和形狀都與細(xì)胞相類似，同時實驗還用到了酵母細(xì)胞和乳腺癌腫瘤細(xì)胞株（MDA-MB-231），以檢驗該平臺在含有多種細(xì)胞的非均相體系中的作用。

通過微流控芯片設(shè)計以及柔性電路板可控電場的作用，這一裝置可以實現(xiàn)的功能有：

（1）從多元體系中限制住單個生物粒子

如圖3.A所示為平臺示意圖，底下三條橫杠是PET柔性電路板上的電極，上面一塊半透明的即為PDMS微流控芯片，中央是一道微流控管道。在低電場強(qiáng)度的條件下，微流控管道中間將形成電勢阱（圖3.B 電勢分布曲線中間最低點），如果沒有外來施加的能量，生物粒子無法偏離電勢最低處。從圖3.C的微流控芯片三維電勢圖可以清楚看到，芯片表面電勢如山巒起伏，橫向貫穿的管道中電勢較低如山谷，而管道縱橫交匯處三個深藍(lán)色的坑，就是勢能最低點，即為足以限制住生物粒子的勢阱。從顯微照相圖（圖3.D）中也可以看到，PMS微球被限制在設(shè)計好的陷阱中動彈不得。（說實話他不圈出來我肯定看不出那里停了個球）

圖3. 多元復(fù)雜體系中單個生物粒子限制功能 A)微流控芯片示意圖；B)微流控管道內(nèi)電勢分布；C)三維電勢圖；D)顯微照相圖

（2）在不需要標(biāo)記物的情況下實現(xiàn)細(xì)胞選擇性分析分類并分離出想要的細(xì)胞

同樣圖4.A所畫的是這一裝置的示意圖，在分離分析細(xì)胞這一功能中，微流控管道的形狀與之前有所不同，為三叉戟（嗯？）的形狀，由于不同生物粒子在電場極化后帶有不同的偶極矩，它們在電場中的行為也會不同，憑借這一特點，它們將在微流控管道的岔路口分道揚(yáng)鑣，實現(xiàn)分類分析的功能。將管道中電勢分布畫出來即如圖4.B、4.C所示，在管道的偏左偏右有兩條勢能非常高的區(qū)域，橫截面的電勢分布即為圖4.D，與圖4.C相符。在熒光顯微（圖4.E左）和明場照相（圖4.E右）中可以觀察到，乳腺癌細(xì)胞和酵母細(xì)胞會流向帶負(fù)電的區(qū)域，而PMS微球全部聚集在右邊帶正電的區(qū)域，分離效果比較好。

圖4. 無標(biāo)記物分類分離細(xì)胞功能A)微流控芯片示意圖；B)微流控管道內(nèi)電勢分布計算圖；C)電勢分布局部放大；D)橫截面電勢分布圖；E)顯微照相圖

（3）稀有細(xì)胞濃縮富集，也并不需要標(biāo)記物

電極設(shè)計示意圖如圖5.A，在電極組成的十字路口，四周的電勢是不同的，因此十字路口斜對角電勢分布如圖5.B所示，在唯一一塊帶正電的電極附近達(dá)到了最高值。因此可以確定，帶負(fù)電的細(xì)胞只能富集在此處。源源不斷的細(xì)胞流向此處，只能在這里停留，也就實現(xiàn)了濃縮，圖5.C和5.D中就可以看到，乳腺癌細(xì)胞全部聚集在十字路口的這一頭。如果我們改一改電極所帶的電荷情況，比如說改成圖5.E這樣，富集區(qū)域就會跟著改變（圖5.F&5.G）。

在圖中橙色虛線為電極邊緣，藍(lán)色虛線為微流控管道邊界。熒光疊加的細(xì)胞軌跡圖中，紅色為細(xì)胞，藍(lán)色為大量細(xì)胞聚集區(qū)域。

圖5. 稀有細(xì)胞濃縮富集 A)微流控芯片示意圖；B)電勢分布圖；C)熒光顯微照片觀察到細(xì)胞富集；D)細(xì)胞軌跡疊加；E)改變電極帶電情況；F)改變電場后富集區(qū)域改變；G)細(xì)胞軌跡疊加

（4）實時單細(xì)胞計數(shù)

這一功能的電極設(shè)計也非常巧妙，在微流控管道兩側(cè)，前后有兩對矩形電極，而中間的電極是兩塊相對的三角形（圖6.A），當(dāng)單個細(xì)胞通過此處時，電場將發(fā)生變化，借此電信號即可實現(xiàn)細(xì)胞計數(shù)。如圖6.B即為單個細(xì)胞通過三角形電極中間管道時的顯微照片。此時這一平臺的橫截面電路可以等效簡化為圖6.C，灰色平臺上紅色的兩側(cè)電極形成了一個電容器，粉色的絕緣層也是電容，微流控芯片和液體帶有電阻R，而實時通過的單個細(xì)胞電阻為△R，將電場線畫出來就可以得到6.D圖。實驗中用到的電源為12V 900千赫茲的交流電，當(dāng)單個細(xì)胞通過時，電極兩側(cè)電壓，也就是電容器兩端的電壓有明顯的降低，如圖E所示，就是有6個PMS微球逐一通過的電勢圖，可以看到明顯的6個峰。

圖6. 實時單細(xì)胞計數(shù) A)微流控芯片示意圖；B)單個細(xì)胞通過電極顯微照相圖；C)等效電路圖；D)單個細(xì)胞通過的電勢計算圖；E)6個PMS微球通過的實驗測量電勢圖

這篇文章還完成了一些其他工作，例如確保生物芯片對細(xì)胞沒有毒性，畢竟我們不希望一頓操作猛如虎，最后分析了一堆死細(xì)胞；調(diào)整液體在管道中的流速、電場的最適強(qiáng)度和頻率等等。然而真正使這一工作稱得上是芯片實驗室（LOC）的，我覺得是，以上所有功能可以集成在同一片微流控芯片上（圖7）。

圖7. 全功能微流控納米噴墨電子檢測平臺示意圖

在不同區(qū)域可以實現(xiàn)上述各種功能，這樣一來整個流程就是：加入一滴（微升到納升級別）液體樣本，經(jīng)過（a）分選艙，不同細(xì)胞分開，我們不關(guān)心的部分就從（b）排出，而我們想要檢測的細(xì)胞由于電勢阱被限制在（c）處等待收割。如果稀有細(xì)胞量太少了，那就送到（d）富集一下，對于我們想計數(shù)的細(xì)胞，在通過（e）之前注射一些磷酸緩沖液（PBS）稀釋一下，然后一個個計數(shù)。要是想分析多種細(xì)胞？送到下一個岔路口再來一次。

只用了你一滴血而已。

柔性PET電路甚至是開源設(shè)計的，研究人員和醫(yī)生可以交流設(shè)計方案、免費下載可靠的電路圖、花20分鐘用噴墨打印機(jī)打印下來。在可能的應(yīng)用場景中，醫(yī)生從兜里掏出一把塑料紙，挑挑揀揀抽出一張PET電路板，再從另一個口袋里拿出滅菌封裝好、隨取隨用的微流控芯片，撕開包裝擺在電路板上。扎你中指取血是免不了的了，你還在那兒齜牙咧嘴疼呢，醫(yī)生反手一個毛細(xì)管吸上100微升血樣已經(jīng)加到芯片上了。過不了多久，醫(yī)生就能拿到足量的稀有細(xì)胞進(jìn)行下一步檢查。PDMS芯片隨手就扔了，PET電路板繼續(xù)揣兜里。

原文：Esfandyarpour, R., et al. (2017). "Multifunctional, inexpensive, and reusable nanoparticle-printed biochip for cell manipulation and diagnosis." Proc Natl Acad Sci U S A 114(8): E1306-E1315.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28167769/

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