基于LabVIEW開發(fā)的用于檢測分離稀有細(xì)胞的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

挑戰(zhàn)： 設(shè)計(jì)、開發(fā)并制造一種能夠檢測和分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）或母血中的胎兒細(xì)胞的工具，前者的目的是研究腫瘤學(xué)中的個(gè)體化治療，后者是為了實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)性產(chǎn)前診斷。

解決方案： 開發(fā)一種名為“芯片實(shí)驗(yàn)室”的專利技術(shù)，該技術(shù)利用活性硅襯底的微電子特性，可制造微型生物實(shí)驗(yàn)室，借助NI嵌入式控制器對懸浮細(xì)胞分別單獨(dú)操作。

Silicon Biosystems公司的技術(shù)基于電場能夠?qū)腋≡谝后w中的中性可極化粒子（比如細(xì)胞）施加作用力的能力。按照這種稱為介電泳（DEP）的動電學(xué)原理，非均勻電場中的中性粒子會受到一個(gè)空間上電場強(qiáng)度沿（正）介電泳（pDEP）增加方向或者（負(fù)）介電泳（nDEP）減少方向的力。更具體地說，粒子由于其自身的電特性受到正介電泳力或負(fù)介電泳力，這種電特性取決于頻率，以及粒子所懸浮于的介質(zhì)的屬性（圖1）。

在DEPArray系統(tǒng)中，電場產(chǎn)生于硅芯片（圖2a）的表面，該表面直接與細(xì)胞懸浮于其中的微流體腔相連。微流體腔被芯片表面以及距離芯片表面幾十微米的透明覆蓋面所封閉。活性芯片的表面實(shí)現(xiàn)了微單元的二維陣列，每一個(gè)微單元由平面電極和集成邏輯電路組成（圖2b）。當(dāng)被放到與電極相對應(yīng)的區(qū)域中時(shí)，每一個(gè)電極可以通過編程產(chǎn)生一個(gè)勢阱或介電籠。在每一個(gè)介電籠中，粒子可以處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)分析。因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)胞都是被單獨(dú)分析，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于熒光的復(fù)雜分析，從而可以識別令靶細(xì)胞區(qū)別于其它成千上萬受污染細(xì)胞的獨(dú)有特性。靶細(xì)胞能夠獨(dú)立，但也是同時(shí)地被移動到芯片的某個(gè)區(qū)域，微流體控制在那里將它們自動回收。

DEPArray系統(tǒng)

我們的專利平臺DEPArray，是一個(gè)靈活且易于使用的先進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)（圖4）。系統(tǒng)的核心是一個(gè)微芯片，它在一個(gè)微流體電路中集成了包含30萬個(gè)電極的陣列。

DEPArray系統(tǒng)使用NI公司的硬件和軟件來管理高精密機(jī)械、微流體、現(xiàn)成可商用的電子和自定義工具，以及視覺和圖像處理。系統(tǒng)允許用戶進(jìn)行的工作流程概括為以下的基本步驟：

* 通過微流體控制裝載樣本

* 在明視場和熒光下獲取圖像

* 分析圖像

* 通過圖形用戶界面識別并選擇靶細(xì)胞

* 自動對識別的靶細(xì)胞進(jìn)行分類

* 通過微流體控制對靶細(xì)胞進(jìn)行回收

樣品裝載

樣品裝載是一個(gè)非常精細(xì)的過程。我們使用NI LabVIEW軟件控制泵裝置產(chǎn)生所需的壓力梯度，從而使樣品從入口槽流到微流體腔內(nèi)的芯片上。系統(tǒng)使用由NI視覺開發(fā)模塊的視覺庫開發(fā)的算法，實(shí)現(xiàn)裝載過程的自動監(jiān)視與控制。

捕獲與分析

一旦樣品被裝載到芯片上，LabVIEW就會控制所有的I/O線，對電極陣列進(jìn)行配置，將細(xì)胞關(guān)在籠中，并使它們在流程的所有階段都保持懸浮，從而保證強(qiáng)而可靠的系統(tǒng)控制。

樣品分析是通過熒光以及明視場下的多重濾光器對芯片表面進(jìn)行光學(xué)掃描而實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW控制置有芯片的處理系統(tǒng)并以微米級的精度進(jìn)行捕獲、圖像處理，并對獲取自顯微鏡的高精度數(shù)字圖像進(jìn)行視覺化處理。

選擇靶細(xì)胞

在這個(gè)步驟中，DEPArray系統(tǒng)為用戶提供了強(qiáng)大的人機(jī)界面（HMI），它由LabVIEW結(jié)合Microsoft .NET framework開發(fā)，對靶細(xì)胞進(jìn)行分類和選擇（圖3）。可以使用不同的方法對細(xì)胞進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證它們的性質(zhì)。人機(jī)界面展示了分析測量結(jié)果的散點(diǎn)圖或直方圖，并提供了圖像上所有測量結(jié)果的列表顯示。對于被選中的每一個(gè)細(xì)胞，分析中捕獲的圖像也被顯示出來，從而允許用戶將計(jì)算機(jī)測量的結(jié)果與形態(tài)學(xué)評估結(jié)合起來。

自動分類

在這個(gè)步驟中，根據(jù)細(xì)胞地圖和障礙物，LabVIEW動態(tài)地配置芯片電極陣列，使其能夠單獨(dú)而同時(shí)地把每一個(gè)感興趣的細(xì)胞從初始位置移動到回收點(diǎn)。數(shù)字化控制每一個(gè)感興趣細(xì)胞的移動，使系統(tǒng)獲得高分類純度，以及無與倫比的性能。

回收

在這個(gè)步驟中，LabVIEW與蠕動泵裝置進(jìn)行交互，產(chǎn)生所需的壓力梯度，使回收介質(zhì)（比如微流體腔中的阱或者玻片）中包含所選細(xì)胞的緩沖物部分向下流動。分類和回收過程可以重復(fù)進(jìn)行，以分別收集多個(gè)細(xì)胞或多組凈化的細(xì)胞，從而使用傳統(tǒng)的分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行基因分析。

結(jié)論

Silicon Biosystems公司開發(fā)的技術(shù)，充分利用了NI的軟硬件與 Sky Technology公司的技術(shù)，為一系列研究活動提供了方法，這些研究旨在分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）以研究腫瘤學(xué)中的個(gè)體化治療，以及識別母血中的胎兒細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)性產(chǎn)前診斷。