使用LabVIEW設計和開(kāi)發(fā)用于分離稀有細胞的自動(dòng)化系統

　　"DEPArray系統使用NI公司的硬件和軟件來(lái)管理高精密機械、微流體、現成可用的電子和自定義工具，以及視覺(jué)和圖像處理。"– S. Gianni, SILICON BIOSYSTEMS

　　The Challenge

　　設計、開(kāi)發(fā)并制造一種能夠檢測和分離循環(huán)腫瘤細胞(CTCs)或母血中的胎兒細胞的工具，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)現無(wú)創(chuàng )性產(chǎn)前診斷。

　　The Solution

　　開(kāi)發(fā)一種名為“芯片實(shí)驗室”的專(zhuān)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)驗室，借助NI嵌入式控制器對懸浮細胞分別單獨操作。

　　Author(s):

　　S. Gianni - SILICON BIOSYSTEMS

　　N. Maranesi - SILICON BIOSYSTEMS

　　G. Medoro - SILICON BIOSYSTEMS

　　F. Malerba - SKY TECHNOLOGY

　　Silicon Biosystems公司的技術(shù)基于電場(chǎng)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(chēng)為介電泳(DEP)的動(dòng)電學(xué)原理，非均勻電場(chǎng)中的中性粒子會(huì )受到一個(gè)空間上電場(chǎng)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(shuō)，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(zhì)的屬性(圖1)。

　　我們的專(zhuān)利平臺DEPArray，是一個(gè)靈活且易于使用的先進(jìn)技術(shù)系統(圖4)。系統的核心是一個(gè)微芯片，它在一個(gè)微流體電路中集成了包含30萬(wàn)個(gè)電極的陣列。

　　DEPArray系統使用NI公司的硬件和軟件來(lái)管理高精密機械、微流體、現成可商用的電子和自定義工具，以及視覺(jué)和圖像處理。系統允許用戶(hù)進(jìn)行的工作流程概括為以下的基本步驟：

　　通過(guò)微流體控制裝載樣本

　　在明視場(chǎng)和熒光下獲取圖像

　　分析圖像

　　通過(guò)圖形用戶(hù)界面識別并選擇靶細胞

　　自動(dòng)對識別的靶細胞進(jìn)行分類(lèi)

　　通過(guò)微流體控制對靶細胞進(jìn)行回收

　　樣品裝載

　　樣品裝載是一個(gè)非常精細的過(guò)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的芯片上。系統使用由NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊的視覺(jué)庫開(kāi)發(fā)的算法，實(shí)現裝載過(guò)程的自動(dòng)監視與控制。

　　捕獲與分析

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

　　樣品分析是通過(guò)熒光以及明視場(chǎng)下的多重濾光器對芯片表面進(jìn)行光學(xué)掃描而實(shí)現的。LabVIEW控制置有芯片的處理系統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字圖像進(jìn)行視覺(jué)化處理。

　　選擇靶細胞

　　在這個(gè)步驟中，DEPArray系統為用戶(hù)提供了強大的人機界面(HMI)，它由LabVIEW結合Microsoft .NET framework開(kāi)發(fā)，對靶細胞進(jìn)行分類(lèi)和選擇(圖3)?？梢允褂貌煌姆椒▽毎M(jìn)行分析，從而驗證它們的性質(zhì)。人機界面展示了分析測量結果的散點(diǎn)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(gè)細胞，分析中捕獲的圖像也被顯示出來(lái)，從而允許用戶(hù)將計算機測量的結果與形態(tài)學(xué)評估結合起來(lái)。

　　自動(dòng)分類(lèi)

　　在這個(gè)步驟中，根據細胞地圖和障礙物，LabVIEW動(dòng)態(tài)地配置芯片電極陣列，使其能夠單獨而同時(shí)地把每一個(gè)感興趣的細胞從初始位置移動(dòng)到回收點(diǎn)。數字化控制每一個(gè)感興趣細胞的移動(dòng)，使系統獲得高分類(lèi)純度，以及無(wú)與倫比的性能。

　　回收

　　在這個(gè)步驟中，LabVIEW與蠕動(dòng)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)中包含所選細胞的緩沖物部分向下流動(dòng)。分類(lèi)和回收過(guò)程可以重復進(jìn)行，以分別收集多個(gè)細胞或多組凈化的細胞，從而使用傳統的分子生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行基因分析。

　　結論

　　Silicon Biosystems公司開(kāi)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(dòng)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(xué)中的個(gè)體化治療，以及識別母血中的胎兒細胞，從而實(shí)現無(wú)創(chuàng )性產(chǎn)前診斷。