使用LabVIEW设计和开发用于分离稀有细胞的自动化系统

挑战:

设计、开发并制造一种能够检测和分离循环肿瘤细胞（CTCs）或母血中的胎儿细胞的工具，前者的目的是研究肿瘤学中的个体化治疗，后者是为了实现无创性产前诊断。

解决方案:

开发一种名为“芯片实验室”的专利技术，该技术利用活性硅衬底的微电子特性，可制造微型生物实验室，借助NI嵌入式控制器对悬浮细胞分别单独操作。

Silicon Biosystems公司的技术基于电场能够对悬浮在液体中的中性可极化粒子（比如细胞）施加作用力的能力。按照这种称为介电泳（DEP）的动电学原理，非均匀电场中的中性粒子会受到一个空间上电场强度沿（正）介电泳（pDEP）增加方向或者（负）介电泳（nDEP）减少方向的力。更具体地说，粒子由于其自身的电特性受到正介电泳力或负介电泳力，这种电特性取决于频率，以及粒子所悬浮于的介质的属性（图1）。

图1. 通过介电笼捕获细胞

在DEPArray系统中，电场产生于硅芯片（图2a）的表面，该表面直接与细胞悬浮于其中的微流体腔相连。微流体腔被芯片表面以及距离芯片表面几十微米的透明覆盖面所封闭。活性芯片的表面实现了微单元的二维阵列，每一个微单元由平面电极和集成逻辑电路组成（图2b）。当被放到与电极相对应的区域中时，每一个电极可以通过编程产生一个势阱或介电笼。在每一个介电笼中，粒子可以处于稳定的悬浮状态，从而实现单独分析。因为每一个细胞都是被单独分析，系统能够实现基于荧光的复杂分析，从而可以识别令靶细胞区别于其它成千上万受污染细胞的独有特性。靶细胞能够独立，但也是同时地被移动到芯片的某个区域，微流体控制在那里将它们自动回收。

图2. DEPArray芯片的布局[page]

DEPArray系统

我们的专利平台DEPArray，是一个灵活且易于使用的先进技术系统（图4）。系统的核心是一个微芯片，它在一个微流体电路中集成了包含30万个电极的阵列。

DEPArray系统使用NI公司的硬件和软件来管理高精密机械、微流体、现成可商用的电子和自定义工具，以及视觉和图像处理。系统允许用户进行的工作流程概括为以下的基本步骤：

通过微流体控制装载样本
在明视场和荧光下获取图像
分析图像
通过图形用户界面识别并选择靶细胞
自动对识别的靶细胞进行分类
通过微流体控制对靶细胞进行回收

样品装载

样品装载是一个非常精细的过程。我们使用NI LabVIEW软件控制泵装置产生所需的压力梯度，从而使样品从入口槽流到微流体腔内的芯片上。系统使用由NI视觉开发模块的视觉库开发的算法，实现装载过程的自动监视与控制。

捕获与分析

一旦样品被装载到芯片上，LabVIEW就会控制所有的I/O线，对电极阵列进行配置，将细胞关在笼中，并使它们在流程的所有阶段都保持悬浮，从而保证强而可靠的系统控制。

样品分析是通过荧光以及明视场下的多重滤光器对芯片表面进行光学扫描而实现的。LabVIEW控制置有芯片的处理系统并以微米级的精度进行捕获、图像处理，并对获取自显微镜的高精度数字图像进行视觉化处理。

选择靶细胞

在这个步骤中，DEPArray系统为用户提供了强大的人机界面（HMI），它由LabVIEW结合Microsoft .NET framework开发，对靶细胞进行分类和选择（图3）。可以使用不同的方法对细胞进行分析，从而验证它们的性质。人机界面展示了分析测量结果的散点图或直方图，并提供了图像上所有测量结果的列表显示。对于被选中的每一个细胞，分析中捕获的图像也被显示出来，从而允许用户将计算机测量的结果与形态学评估结合起来。

自动分类

在这个步骤中，根据细胞地图和障碍物，LabVIEW动态地配置芯片电极阵列，使其能够单独而同时地把每一个感兴趣的细胞从初始位置移动到回收点。数字化控制每一个感兴趣细胞的移动，使系统获得高分类纯度，以及无与伦比的性能。

回收

在这个步骤中，LabVIEW与蠕动泵装置进行交互，产生所需的压力梯度，使回收介质（比如微流体腔中的阱或者玻片）中包含所选细胞的缓冲物部分向下流动。分类和回收过程可以重复进行，以分别收集多个细胞或多组净化的细胞，从而使用传统的分子生物学技术进行基因分析。

结论

Silicon Biosystems公司开发的技术，充分利用了NI的软硬件与 Sky Technology公司的技术，为一系列研究活动提供了方法，这些研究旨在分离循环肿瘤细胞（CTCs）以研究肿瘤学中的个体化治疗，以及识别母血中的胎儿细胞，从而实现无创性产前诊断。