在一項(xiàng)新的研究中，IBM研究人員開發(fā)出一種新的芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，該技術(shù)首次能夠分離出納米尺度的生物顆粒，從而可能能夠讓醫(yī)生們?cè)诎Y狀出現(xiàn)之前檢測(cè)癌癥等疾病。相關(guān)研究結(jié)果于2016年8月1日在線發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上，論文標(biāo)題為“Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm”。

     這項(xiàng)研究的結(jié)果表明這種技術(shù)能夠分離基于顆粒大小對(duì)直徑最低至20納米的生物顆粒進(jìn)行分離，這種尺度允許人們分離出DNA、病毒和外泌體（exosome）等重要的顆粒。一旦被分離出，這些顆粒能夠被醫(yī)生們潛在地分析以便在病人出現(xiàn)任何身體癥狀之前揭示出疾病的征兆，以及治療結(jié)果在何時(shí)是最佳的。在此之前，利用芯片技術(shù)基于大小能夠分離出的最小生物顆粒大約是從其他的生物組分中分離出的循環(huán)腫瘤細(xì)胞的50倍。

     IBM正在與來(lái)自美國(guó)西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的研究人員合作繼續(xù)開發(fā)這種芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，并且計(jì)劃在前列腺癌上測(cè)試這種技術(shù)。

     在精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代，外泌體越來(lái)越被視為有用的診斷和預(yù)測(cè)惡性腫瘤的生物標(biāo)志物。外泌體是在容易獲取的血液、唾液和尿液等體液中釋放的。它們代表著一種珍貴的生物醫(yī)學(xué)工具，這是因?yàn)樗鼈兡軌虮挥糜谇秩胄愿〉囊后w活檢中以便揭示出癌癥的起源和性質(zhì)。

     由于現(xiàn)存的分離和純化液體活檢樣品中外泌體的技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，IBM研究人員利用他們的設(shè)備（即芯片實(shí)驗(yàn)室）靶向研究外泌體。外泌體的大小在20納米和140納米之間，含有關(guān)于它們從中脫落的初始細(xì)胞的健康信息。確定外泌體的大小、表面蛋白和核酸運(yùn)載物能夠提供關(guān)于產(chǎn)生中的癌癥和其他疾病的存在和狀態(tài)方面的重要信息。

     這項(xiàng)研究的結(jié)果證實(shí)它們能夠從更小的顆粒中分離和檢測(cè)最小至20納米的顆粒；100納米及以上的外泌體能夠與較小的外泌體分離開，而且即便存在擴(kuò)散，這種分離也能夠發(fā)生。在與西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的合作下，IBM研究人員計(jì)劃證實(shí)他們的設(shè)備能夠從病人的液體活檢樣品中挑選出攜帶癌癥特異性生物標(biāo)志物的外泌體。

     論文共同通信作者、IBM轉(zhuǎn)化系統(tǒng)生物學(xué)與納米生物技術(shù)項(xiàng)目主任Gustavo Stolovitzky說(shuō)，“利用基于芯片的技術(shù)在納米尺度上分選和富集生物標(biāo)志物的能力為理解癌癥等疾病和流感病毒或寨卡病毒等病毒打開大門。我們的芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能夠提供一種簡(jiǎn)單的非侵入性的和可負(fù)擔(dān)得起的選擇來(lái)潛在地檢測(cè)和監(jiān)控疾病，甚至是在它的最早階段，在人體癥狀出現(xiàn)很早之前進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。這種多出的時(shí)間允許醫(yī)生們作出更多的知情決策和治療方案的預(yù)后在何時(shí)是最佳的。”

在納米尺度上分選生物顆粒

     芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)已成為醫(yī)生們的一種非常有幫助的診斷工具，這是因?yàn)樗鼈冃枰俚臉悠妨浚兄焖俚亍⒖蓴y帶地和便于使用地檢測(cè)疾病。

     利用一種被稱作納米級(jí)確定性側(cè)向位移（nanoscale deterministic lateral displacement, nano-DLD）的技術(shù)，IBM科學(xué)家Joshua Smith博士和Benjamin Wunsch博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，從而允許液體樣品持續(xù)地流過(guò)含有不對(duì)稱柱陣列（pillar array）的硅芯片。這種柱陣列允許這種設(shè)備分選微小的納米顆粒，并且根據(jù)大小分離最低至幾十納米的顆粒。IBM已將這種硅芯片的大小降至2cm×2cm，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行開發(fā)，旨在增加這種設(shè)備的密度從而提高它的功能性和通量。

     就好比通過(guò)一個(gè)小隧道的道路只允許較小的汽車通過(guò)同時(shí)迫使較大的卡車?yán)@道一樣，nano-DLD利用一組柱子讓較大的顆粒轉(zhuǎn)向，同時(shí)允許較小的顆粒有增無(wú)減地流過(guò)柱陣列的間隙，從而有效地依據(jù)顆粒大小疏通顆粒“交通”，同時(shí)不破壞液體樣品流動(dòng)。有趣的是，IBM研究人員注意到nano-DLD柱陣列也能夠?qū)⒑芏嗖煌笮〉念w粒混合物依據(jù)顆粒大小進(jìn)行分離。

     利用IBM巨大的半導(dǎo)體專業(yè)知識(shí)，IBM研究人員利用可制造的硅芯片工藝產(chǎn)生用于他們的芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的nano-DLD柱陣列。作為正在開展的策略的一部分，IBM研究人員正在努力增加利用他們的設(shè)備能夠分離出的生物顆粒的特異性，并且改善真實(shí)的臨床應(yīng)用的精準(zhǔn)度和特異性。