新的微芯片从全血中分选白细胞


在2012年初,麻省理工学院科学家报告了一种邮票大小的微芯片能够通过一种技术,称为细胞滚动,模仿自然机制在体内分选细胞的发展。该装置成功地从细胞培养物中分离出白血病细胞 - 但不能直接从血液中提取细胞。

现在,该小组开发了一种新型微芯片,可以快速从全血样品中分离出白细胞,消除了任何初步处理步骤 - 这些步骤可能难以整合到医疗点医疗设备中。研究人员说,希望将微芯片集成到便携式诊断设备中,该设备可用于直接分析患者血液样本中是否存在脓毒症等炎症性疾病的迹象,特别是在诊断性实验室设备不易获得的发展中国家地区。

在他们的实验中,科学家们通过微芯片抽取微量的血液,并回收高纯度的白血细胞,几乎没有其他血液成分,如血小板和红细胞。更重要的是,研究小组发现,分选的细胞没有受损和功能性,可能使临床医生不仅可以获得白细胞计数,还可以使用细胞进行进一步的基因或临床试验。

麻省理工学院机械工程副教授Rohit Karnik说,回收这种纯净的功能性细胞的关键在于微芯片适应细胞滚动的自然过程。 Karnik说:“我们相信因为我们正在使用非常仿生的工艺,所以细胞更加快乐。 “这是一个更加温和的过程,细胞在功能上是可行的。”

Karnik和麻省理工学院的研究生苏曼·博斯和布里格姆妇女医院的Jeffrey Karp以及其他五位同事在号科学报告上发表了他们的结果。

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通常,人体的保护性白细胞通过血液循环,巡视病原体的迹象。当身体的一个区域受到感染或发炎时,该区域血管内的细胞呈现某些粘性分子,轻轻地从血液中捕获白血细胞,沿着血管壁“滚动”细胞,直到它们到达受影响的区域。

粘性分子充当细胞贩子,将特定细胞导向需要的身体区域。最常见的细胞贩子之一是P-选择素,一种轻微结合白血球的分子,称为嗜中性粒细胞。

在他们2012年的研究中,研究人员首先用一种波峰和波谷的模式刻蚀芯片,并用P-选择蛋白衬里。当他们通过芯片抽取细胞培养物时,粘性脊将白血病细胞从溶液中拉出,翻转到沟槽中,流入另一个容器。虽然他们以高通量回收靶细胞,适合于实验室细胞分离,但研究人员观察到,凹槽的模式造成流体不必要的混合,使其不适合加工血液。

对于血液样本,Karnik和Bose在不同的微芯片设计上并行工作。该团队不是刻槽,而是刻蚀了微观细金条纹的图案,与流过芯片的流体对角。研究人员然后沿着每个金条连接P-选择素的分子。

在血液流经芯片之前,研究小组首先用两种类型的白血病细胞进行了测试。通过视频成像,他们观察到一种细胞类型从流中被抽出,沿着粘金条短暂地附着并滚动,然后跳到相邻的线上。最后,经过一系列的跳跃和滚动,细胞沿着条纹滚动,然后进入单独的沟槽或通道,在那里流入收集器。

Karnik和Bose测量了目标细胞与芯片条纹图案之间的相互作用,并根据几个因素(如每个条纹的角度和长度)开发了一个数学模型来描述细胞滚动的最佳模式。

“我们能够很好地了解分离过程, 这应该是有用的指导这种类型的未来设备,“Karnik说。

在病人的床边

使用该模型,小组优化了条纹的芯片模式,然后通过一个入口流入微量的血液。他们发现,他们能够不断回收纯度超过99%的白血球,这是一个重要的结果,因为血液循环中的每一个白细胞通常有1000个红细胞。

在生存能力测试中,Karnik和Bose发现回收的白血细胞能够成功地吞噬细菌,表明细胞确实有功能。

更进一步,该小组测试了一种潜在的临床应用:诊断败血症,一种感染在血流中传播的病症,引起广泛的感染和最终的器官衰竭。这种情况很难快速诊断,特别是在资源有限的情况下。

为了模拟血液中败血症的情况,该组将细胞因子和细菌膜成分(通常在败血症期间存在的炎性介质)添加到全血中。已知在这些药剂的存在下,白细胞在脓毒症期间失去与P-选择素结合的能力。

正如他们所预料的那样,当研究人员仅通过微芯片流过几微升败血症模拟血液时,他们发现恢复的白细胞数量急剧下降。 Bose说,结果是今后诊断炎症性疾病如败血症,特别是婴儿的有希望的一步。 Bose说:“对于婴儿来说,这是比较困难的,因为对他们来说,因为血液很少,所以你不能得到更多的血液样本。 “这只是一个新的护理方向的传情,而且这个工作可以在病人的床边对炎症进行诊断”。

利哈伊大学材料科学与工程助理教授郑学红说:该组装置分离出的样品纯度与传统的细胞分选技术相当“,但是手工处理和红细胞碎片污染少得多”。

Cheng并没有参与这项研究,他说细胞滚动技术“是在临床应用中自动化血样制备的一种非常有前途的方法[例如]在需要的环境下的感染和炎症测定。”