应雨妍 应雨妍

科技点亮生活

伴随着雄壮的背景音乐和一片漆黑的背景,很容易使我们想起《星际迷航》等科幻片中的场景。在宇宙深处,某个神秘的物种在通往他们星球的必经之路上布下「石柱阵」,来来往往的飞行器在经过「石柱阵」之后,原本混杂的队伍,根据大小被精准的分成三个队伍。然后飞往指定的航道,消失在茫茫宇宙之中……

实际上,上面那个气势恢宏的视频模拟的是人体内纳米级颗粒通过一个2cm×2cm芯片时的场景。可以控制航线的飞行器才不需要这种笨方法来确定航道,只有人体那些只会做无规则运动的颗粒,才需要利用这样一个「筛子」来分类。

57a062c030fb7中间就是那块儿2×2的芯片啦(视频里的过程都是在这小小的芯片,也就是蓝色区域中发生的~)

视频中那些起到阻挡和分离作用的看起来挺大的柱子,实际上也就只有几百纳米粗,它们之间的间隙也非常小,最小的只有25nm,最大也才235nm。这些柱子在IBM科学家精心、精确、精准的布置下,最终达到检测早期癌症的目的。

QQ图片20160803162622硅立柱的最小缝隙25nm

你可能以为这是用来分离癌细胞的,可是癌细胞直径一般在10微米(10000纳米)左右。显然,癌细胞一进来就要把芯片堵死了。当然,你可以说把柱子和间隙做大点儿不就可以捕捉癌细胞了么!的确,现在市面上已经有分离微米级颗粒和细胞的芯片。只不过,如果用微米级的芯片捕捉癌细胞,我们就不能说是在检测早期癌症了。

IBM的一帮科学家认为,这么好的技术却只能分离微米级的寄生虫、细菌和癌细胞等实在是太可惜了。尤其是对于检测癌症来说。在癌细胞从病灶里跑出来(要转移了)之前,癌细胞就会分泌大量外泌体到血液中,这些外泌体里携带着大量的癌细胞相关信息,要是能轻易捉到这些直径在30-110纳米之间的外泌体,就可以发现早期癌症了

1外泌体的形成示意图

IBM的科学家首次将芯片的分离级别从微米降到纳米,成功实现了「便捷地捕捉外泌体」这一梦想。这项由IBM沃森研究院Benjamin H. Wunsch和Joshua T. Smith二人领导的研究,上周发表在纳米科技顶级期刊《自然纳米技术》上。

据研究论文介绍,这种芯片技术实际上有个很拗口的名字,叫确定性侧向位移(deterministic lateral displacement,DLD)分离技术。IBM将芯片升级到纳米级别之后,就在老名字前面加了个代表纳米的前缀,这就变成了IBM的nano-DLD分离技术。现在,两位科学家也证明了nano-DLD可以分离从20-110nm不等的微粒,因此对于30-110nm的外泌体,是完全可以被筛选出来的。

芯片中有不完全对称排列的“硅支柱”,支柱在芯片内紧密排列,间隙均匀(25-235nm)。当去掉血液中微米级及以上的细胞和颗粒物之后,纳米级的颗粒由于大小不同所走的途径不同,较小的能顺着液体流动的方向移动,不发生大的偏移,而较大的会发生各种角度的偏转,最终它们将到达不同的区域,这就达到了分离的目的,然后科学家们就可以对“到岸”的这些微粒进行检测和分析。

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这一方法就好像我们站在窄窄的四通八达的胡同口,胖一点的同志过不去窄窄的路,就只能从旁边宽一点的巷子穿过,而不同的路线的选择也会指引我们到达不同的终点,而从同样或者相似路径到达终点的基本都是体型相当之人,这样就达到了对不同体型同志进行区分的目的。

Joshua Smith在接受外媒采访时说,他们现在做的,就是利用IBM巨大的科研能力和人才储备进行硅纳米技术的研究,将它应用于医疗行业,做一些现在别人做不到的事情。如果降低成本,硅技术产品十分适合大批量生产,广泛应用在医疗诊断领域。此外,nano-DLD技术既保证了纳米粒子分离的高精度,操作又不复杂,这就使得翻越高精度分离技术这堵高墙变得容易许多!

让我们来听听研究人员为我们介绍他们以芯片为载体的液体活检如何吧~

除了nano-DLD之外,其实也早有其他的方法可以用来分离纳米级的微粒,比如超速离心、凝胶电泳、层析或者过滤,但是它们各自的利与弊也是非常明显的。离心和层析结果精确,但需要昂贵的机器以及训练有素的技术人员;凝胶和过滤呢,相比之下,介质便宜,也易于操作,但精确度又不够,而且样品也难以回收。所以,nano-DLD可以算得上是一个非常有前途的检测手段了。

IBM目前正在与美国西奈山伊坎医学院合作,测试设备检测前列腺癌特异性标志物的能力如何。除了癌症外,这款芯片还可以用来检测病毒,像现在正在流行的寨卡病毒,也有希望能够通过这款小小的芯片在早期感染时就被发现,这样医护人员就可以早做对策,进行相应的治疗和隔离了。

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尽管这项研究还处在早期阶段,后续还需要很长的时间来验证这个芯片的可靠性和稳定性。未来一旦进入市场,大批量生产时成本会更低,在家中也可以进行快速的检测,这当然将会为液体活检领域打开新的大门。

参考文献:

【1】Wunsch BH, Smith JT, Gifford SM, WangC, Brink M, et al. 2016. Nanoscale lateral displacement arrays for theseparation of exosomes and colloids down to 20 nm. Nat Nano advance online publication

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