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IBM开发的芯片实验室可以过滤血液,检测癌症

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在一项新的研究中,IBM研究人员开发出一种新的芯片实验室技术,该技术首次能够分离出纳米尺度的生物颗粒,从而可能能够让医生们在症状出现之前检测癌症等疾病。相关研究结果于2016年8月1日在线发表在Nature Nanotechnology期刊上,论文标题为“Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm”。

     这项研究的结果表明这种技术能够分离基于颗粒大小对直径最低至20纳米的生物颗粒进行分离,这种尺度允许人们分离出DNA、病毒和外泌体(exosome)等重要的颗粒。一旦被分离出,这些颗粒能够被医生们潜在地分析以便在病人出现任何身体症状之前揭示出疾病的征兆,以及治疗结果在何时是最佳的。在此之前,利用芯片技术基于大小能够分离出的最小生物颗粒大约是从其他的生物组分中分离出的循环肿瘤细胞的50倍。

     IBM正在与来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员合作继续开发这种芯片实验室技术,并且计划在前列腺癌上测试这种技术。

     在精准医疗时代,外泌体越来越被视为有用的诊断和预测恶性肿瘤的生物标志物。外泌体是在容易获取的血液、唾液和尿液等体液中释放的。它们代表着一种珍贵的生物医学工具,这是因为它们能够被用于侵入性更小的液体活检中以便揭示出癌症的起源和性质。

     由于现存的分离和纯化液体活检样品中外泌体的技术面临挑战,IBM研究人员利用他们的设备(即芯片实验室)靶向研究外泌体。外泌体的大小在20纳米和140纳米之间,含有关于它们从中脱落的初始细胞的健康信息。确定外泌体的大小、表面蛋白和核酸运载物能够提供关于产生中的癌症和其他疾病的存在和状态方面的重要信息。

     这项研究的结果证实它们能够从更小的颗粒中分离和检测最小至20纳米的颗粒;100纳米及以上的外泌体能够与较小的外泌体分离开,而且即便存在扩散,这种分离也能够发生。在与西奈山伊坎医学院的合作下,IBM研究人员计划证实他们的设备能够从病人的液体活检样品中挑选出携带癌症特异性生物标志物的外泌体。

     论文共同通信作者、IBM转化系统生物学与纳米生物技术项目主任Gustavo Stolovitzky说,“利用基于芯片的技术在纳米尺度上分选和富集生物标志物的能力为理解癌症等疾病和流感病毒或寨卡病毒等病毒打开大门。我们的芯片实验室设备能够提供一种简单的非侵入性的和可负担得起的选择来潜在地检测和监控疾病,甚至是在它的最早阶段,在人体症状出现很早之前进行检测和监控。这种多出的时间允许医生们作出更多的知情决策和治疗方案的预后在何时是最佳的。”

在纳米尺度上分选生物颗粒

     芯片实验室技术已成为医生们的一种非常有帮助的诊断工具,这是因为它们需要更少的样品量,有助快速地、可携带地和便于使用地检测疾病。

     利用一种被称作纳米级确定性侧向位移(nanoscale deterministic lateral displacement, nano-DLD)的技术,IBM科学家Joshua Smith博士和Benjamin Wunsch博士领导的一个研究团队开发出一种芯片实验室技术,从而允许液体样品持续地流过含有不对称柱阵列(pillar array)的硅芯片。这种柱阵列允许这种设备分选微小的纳米颗粒,并且根据大小分离最低至几十纳米的颗粒。IBM已将这种硅芯片的大小降至2cm×2cm,同时继续进行开发,旨在增加这种设备的密度从而提高它的功能性和通量。

     就好比通过一个小隧道的道路只允许较小的汽车通过同时迫使较大的卡车绕道一样,nano-DLD利用一组柱子让较大的颗粒转向,同时允许较小的颗粒有增无减地流过柱阵列的间隙,从而有效地依据颗粒大小疏通颗粒“交通”,同时不破坏液体样品流动。有趣的是,IBM研究人员注意到nano-DLD柱阵列也能够将很多不同大小的颗粒混合物依据颗粒大小进行分离。

     利用IBM巨大的半导体专业知识,IBM研究人员利用可制造的硅芯片工艺产生用于他们的芯片实验室设备的nano-DLD柱阵列。作为正在开展的策略的一部分,IBM研究人员正在努力增加利用他们的设备能够分离出的生物颗粒的特异性,并且改善真实的临床应用的精准度和特异性。


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