E起計量打基礎_晶片電子器官上路了

E起計量打基礎

By 周隆亨 (Henry Chow)

主題：晶片電子器官上路了 No. 67 _20201203

晶片電子器官上路了1

這聽起來有如科幻小說，但是晶片器官系統，亦即能夠模仿特定器官(例如肺或肝)中細胞相互作用的裝置，在過去的幾年中已開始用於測試藥物的有效性。我們運用這些系統來量化細胞的物理特性，從而提供有關藥物治療前後細胞健康的訊息。在確定療法的有效性時，這是至關重要的一步。通常用於該目的之方法，要求細胞暴露於另一種特定顏色的光時細胞特性會被發光的分子所修飾。 細胞在治療前後所發出光的差異，提供了與細胞健康水準相關的量測讀數。但是，光的量測很難於實驗之間重現。進一步地說，用於使細胞發光的分子會改變分子內部，進而產生某種可量化但卻“不自然”的量測結果。光譜的另一端是電子量測，這與基於發光的細胞量測相反，不需要用非天然分子改變細胞來確定細胞的健康狀況。這些類型的量測利用細胞的某些物理特性，來區分由於暴露於治療而導致的行為變化。電子量測裝置可以感知細胞從一個位置到另一個位置的運動，這可以提供有關轉移性癌細胞的遷移率、心肌細胞跳動的變化，以及由於毒素影響細胞附著和其他內部過程用以保持細胞存活而導致之細胞形狀變化的訊息。

美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)開發了一項技術並申請了專利，該技術可量測細胞的物理特性，例如細胞的形狀，移動能力以及細胞內部和外部之間的電性變化。這項技術被稱為用於監測細胞遷移的雙介電泳膜(dual dielectrophoretic membrane for monitoring cell migration, D2M2CM)，可以幫助確定藥物和其他治療方法對細胞的影響。此外，使用D2M2CM技術，可以將細胞置放或被困住在量測裝置內的特定區域中。此特定功能允許在同一區域內置放更多數量的細胞，進而可以在更短的時間內分析更多數量的細胞。儘管電性量測在許多方面(例如：無標籤、實時、連續性)優於光學量測，但當今的生物醫學和細胞生物學基礎研究界在使用電子量測方面的經驗有限，致使採用電性量測的吸引力不大。因此，我以工程設計了一種電子量測系統，該系統可以在器官晶片型實驗中快速設置細胞，並可以將細胞專門放置在傳感器上以量測細胞遷移的行為。該裝置不僅具有透過用電場(即介電泳)困住細胞來處理細胞的能力，而且還具有透過量測細胞層的電阻來表徵其物理性質的能力。

這與其他有助於細胞粘附到表面的已開發組件相結合，提供了一個獨特的平台，可以透過量測細胞從多孔膜表面的離開，以及隨後細胞穿過膜孔後到達膜另一側的距離來評估細胞遷移。這可用作確定癌細胞侵襲性程度的考量參數(即轉移性與非轉移性癌細胞)。所有這些量測都可以實時、連續地進行，而無需用發光的非天然分子來標記細胞。

設計一種可以提供用戶友善格式的電子量測的系統，是在例如癌症和再生醫學的藥物測試中使用該技術的第一步。本專利是從已發布的NIST獲證專利或專利申請的技術專利組合中挑選出的兩個，獲得參加2020年聯邦技術春季新創工作說明會(FedTech 2020 Spring Startup Studio)(https://www.fedtech.io/ )。透過這項新創說明會的參加使我們對客戶在這些類型的裝置中需要什麼，以及他們可以從這技術中獲得怎樣的特定獲益有了更好的了解。結果顯明，我們對D2M2CM可以提供的功能非常感興趣。但客戶指出，與同時檢測多個參數有關的其他領域仍有不少工作需要努力，包括這些材料被用作裝置的一部分，需要提供細胞和其他生物成分的生物相容性表面(例如：用於細胞培養皿的材料，諸如聚苯乙烯和聚碳酸酯(polystyrene and polycarbonate))，以及可以實現實時且易於讀取格式的用戶和儀器之間的界面。我們仍在持續進行研究，期待進一步發展我們的技術並將其進化為更為簡單的方法，從而可以實時連續地追踪細胞，從而為最終用戶提供一個能夠獲得有關細胞行為和細胞健康狀態之量化資訊的系統。

November 25, 2020

By: Darwin R. Reyes (https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/authors/darwin-r-reyes-0 )

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Courtesy of NIST

Simultaneous trapping of cancer liver cells (HepG2, red) and endothelial cells (green), each on opposite sites of a porous membrane, for the rapid assembly of tissue/organ on a chip type of microphysiological system. The system has electronic measurement capabilities via integrated electrodes fabricated on the membrane.

Ref: 1) Paving the Way for Electronic Organs-on-a-Chip, NIST Taking Measure, November 25, 2020. (https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/paving-way-electronic-organs-chip )

周隆亨 敬上