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低至1美分的诊断芯片将推动医疗保健变革

2017-02-10 13:32:04来源:智能电子集成

[摘要] 新技术将单片芯片的成本降低到了1美分,将有可能像低成本基因组测序技术那样引发医学诊断的革命。

  斯坦福大学医学院的研究人员开发了一种全新的方法,仅需要一台普通的喷墨打印机,就可以生产便宜而且可以重复使用的诊断用途的“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”,据了解,新技术将单片芯片的成本降低到了1美分,将有可能像低成本基因组测序技术那样引发医学诊断的革命。

  根据百度百科的解释,芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成于一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种技术。

  斯坦福基因组技术中心的生物化学和遗传学教授Ron Davis称,新技术将单片芯片的成本降低到了1美分,将有可能像低成本基因组测序技术那样引发医学诊断的革命。

  该技术论文于2月6日在《美国国家科学院学报》(“ Proceedings of the National Academy of ScienCES”)上发表。Davis是该论文的主要作者,基因组技术中心的另一名工程研究员Rahim Esfandyarpour则是第一作者。

  廉价的芯片实验室技术能够提高世界各地,特别是发展中国家的诊断能力。由于缺少早期诊断的机会,低收入国家乳腺癌患者的存活率只有40%,仅仅是发达国家的一半。其他的致命性疾病,比如疟疾,结核病和艾滋病等,在发展中国家的发病率和死亡率也都比较高。考虑到很多诊断设备的高昂成本,如果能够通过这一技术让患者在病症早期就获得诊断,那么将会改变这一现状。

  “能够在早期检测出疾病是我们开展有效治疗的最大机会之一。”Esfandyarpour说,“或许1美元在美国算不上什么,但是在一些发展中国家,这已经是一笔不小的开销。”

  芯片实验室的两个组成部分

  芯片实验室其实可以分为两个部分:第一部分是芯片本身,包括用于容纳细胞的清洁硅胶微流体室,以及可重复使用的电子条。第二部分则是常规的喷墨打印机,它能将市售的导电纳米颗粒油墨印刷到柔性聚酯片材上形成电子条。

  Esfandyarpour说:“我们的目的是消除对洁净室设施以及生产检测设备所需要的专业人员的需求。”这样一枚芯片的生产时间只需要20分钟左右。

  追踪细胞往往需要使用荧光或者磁性标签,作为一个多功能平台,芯片实验室能够让用户在不使用荧光或者磁性标签的前提下,对不同的细胞类型进行分析。

  这种芯片是通过细胞固有的电学特性来区分细胞种类:当在喷墨打印的电子条的两端施加电压时,微流体室里的细胞会因为自身“极化性”的不同而朝不同的方向运动,这一过程被称为介电泳现象。这种不需要标记的分析细胞的方法不仅能大幅提高精度,还缩减了此前耗时较长的标记过程。

  这种方式主要针对小型样本分析,适用于多种不同类型的试验。研究人员展示了如何应用这种设备从样品中捕获单个细胞、分离罕见细胞、以及根据细胞的类型来计算细胞的个数。相比每次不同的操作需要使用不同的设备,这种多功能的生物芯片大幅降低了试验成本。举例来说,用于分类和技术的独立流式细胞仪需要花费10万美元,而且这还没考虑操作成本。

  “诊断**化”的潜力

  “我们最初的动机就是为了研究如何普及诊断技术,以及如何降低现有技术的成本”,Davis说。

  这种芯片的低廉成本能够让诊断技术更普及、更**化,类似于低成本的基因组测序引发的医疗保健和个性化医疗的革命。低廉的测序技术让临床医生能够对肿瘤的DNA进行分析,鉴定特定的突变序列,并为病人推荐个性化治疗方案。同样的,芯片实验室也有在癌症早期探测血液中肿瘤细胞的潜力。

  “该项技术不仅能推动医疗保健的变革,还能够加速基础和应用领域的研究进程。它让科学家和临床医生能够在更短的时间里分析更多的细胞,操纵干细胞实现有效的基因转移,以及开发更高效的诊断疾病的方法。”Esfandyarpour说。目前,团队希望这种芯片能够改变科研人员在实验室使用实验仪器的方式。“我确定,这项技术将会为研究人员打开一扇窗,因为它让实验过程变得更加简单:打印,使用。”他说。

  这项工作室斯坦福大学为精确医疗做出的努力之一,其目的是预测和预防疾病,将疾病扼杀在“襁褓之中”。

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[责任编辑:黄文凤]

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