基于LabVIEW開發(fā)的用于檢測分離稀有細胞的系統(tǒng)設計方案解析

挑戰(zhàn)： 設計、開發(fā)并制造一種能夠檢測和分離循環(huán)腫瘤細胞（CTC）或母血中的胎兒細胞的工具，前者的目的是研究腫瘤學中的個體化治療，后者是為了實現(xiàn)無創(chuàng)性產前診斷。

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

Silicon Biosystems公司的技術基于電場能夠對懸浮在液體中的中性可極化粒子（比如細胞）施加作用力的能力。按照這種稱為介電泳（DEP）的動電學原理，非均勻電場中的中性粒子會受到一個空間上電場強度沿（正）介電泳（pDEP）增加方向或者（負）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的屬性（圖1）。

在DEPArray系統(tǒng)中，電場產生于硅芯片（圖2a）的表面，該表面直接與細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?；钚孕酒谋砻鎸崿F(xiàn)了微單元的二維陣列，每一個微單元由平面電極和集成邏輯電路組成（圖2b）。當被放到與電極相對應的區(qū)域中時，每一個電極可以通過編程產生一個勢阱或介電籠。在每一個介電籠中，粒子可以處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，從而實現(xiàn)單獨分析。因為每一個細胞都是被單獨分析，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)基于熒光的復雜分析，從而可以識別令靶細胞區(qū)別于其它成千上萬受污染細胞的獨有特性。靶細胞能夠獨立，但也是同時地被移動到芯片的某個區(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，是一個靈活且易于使用的先進技術系統(tǒng)（圖4）。系統(tǒng)的核心是一個微芯片，它在一個微流體電路中集成了包含30萬個電極的陣列。

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胞

* 自動對識別的靶細胞進行分類

* 通過微流體控制對靶細胞進行回收

樣品裝載

樣品裝載是一個非常精細的過程。我們使用NI LabVIEW軟件控制泵裝置產生所需的壓力梯度，從而使樣品從入口槽流到微流體腔內的芯片上。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，對電極陣列進行配置，將細胞關在籠中，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行光學掃描而實現(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)字圖像進行視覺化處理。

選擇靶細胞

在這個步驟中，DEPArray系統(tǒng)為用戶提供了強大的人機界面（HMI），它由LabVIEW結合Microsoft .NET framework開發(fā)，對靶細胞進行分類和選擇（圖3）?？梢允褂貌煌姆椒▽毎M行分析，從而驗證它們的性質。人機界面展示了分析測量結果的散點圖或直方圖，并提供了圖像上所有測量結果的列表顯示。對于被選中的每一個細胞，分析中捕獲的圖像也被顯示出來，從而允許用戶將計算機測量的結果與形態(tài)學評估結合起來。

自動分類

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

回收

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

結論

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