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Nat Nanotechnol：IBM开发的芯片实验室可以过滤血液，检测癌症
日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中，IBM研究人员开发出一种新的芯片实验室技术，该技术首次能够分离出纳米尺度的生物颗粒，从而可能能够让医生们在症状出现之前检测癌症等疾病。相关研究结果于日在线发表在Nature Nanotechnology期刊上，论文标题为“Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm”。
这项研究的结果表明这种技术能够分离基于颗粒大小对直径最低至20纳米的生物颗粒进行分离，这种尺度允许人们分离出DNA、病毒和外泌体（exosome）等重要的颗粒。一旦被分离出，这些颗粒能够被医生们潜在地分析以便在病人出现任何身体症状之前揭示出疾病的征兆，以及治疗结果在何时是最佳的。在此之前，利用芯片技术基于大小能够分离出的最小生物颗粒大约是从其他的生物组分中分离出的循环肿瘤细胞的50倍。
IBM正在与来自美国西奈山伊坎医学院的研究人员合作继续开发这种芯片实验室技术，并且计划在前列腺癌上测试这种技术。
在精准医疗时代，外泌体越来越被视为有用的诊断和预测恶性肿瘤的生物标志物。外泌体是在容易获取的血液、唾液和尿液等体液中释放的。它们代表着一种珍贵的生物医学工具，这是因为它们能够被用于侵入性更小的液体活检中以便揭示出癌症的起源和性质。
由于现存的分离和纯化液体活检样品中外泌体的技术面临挑战，IBM研究人员利用他们的设备（即芯片实验室）靶向研究外泌体。外泌体的大小在20纳米和140纳米之间，含有关于它们从中脱落的初始细胞的健康信息。确定外泌体的大小、表面蛋白和核酸运载物能够提供关于产生中的癌症和其他疾病的存在和状态方面的重要信息。
这项研究的结果证实它们能够从更小的颗粒中分离和检测最小至20纳米的颗粒；100纳米及以上的外泌体能够与较小的外泌体分离开，而且即便存在扩散，这种分离也能够发生。在与西奈山伊坎医学院的合作下，IBM研究人员计划证实他们的设备能够从病人的液体活检样品中挑选出携带癌症特异性生物标志物的外泌体。
论文共同通信作者、IBM转化系统生物学与纳米生物技术项目主任Gustavo Stolovitzky说，“利用基于芯片的技术在纳米尺度上分选和富集生物标志物的能力为理解癌症等疾病和流感病毒或寨卡病毒等病毒打开大门。我们的芯片实验室设备能够提供一种简单的非侵入性的和可负担得起的选择来潜在地检测和监控疾病，甚至是在它的最早阶段，在人体症状出现很早之前进行检测和监控。这种多出的时间允许医生们作出更多的知情决策和治疗方案的预后在何时是最佳的。”
在纳米尺度上分选生物颗粒
芯片实验室技术已成为医生们的一种非常有帮助的诊断工具，这是因为它们需要更少的样品量，有助快速地、可携带地和便于使用地检测疾病。
利用一种被称作纳米级确定性侧向位移（nanoscale deterministic lateral displacement, nano-DLD）的技术，IBM科学家Joshua Smith博士和Benjamin Wunsch博士领导的一个研究团队开发出一种芯片实验室技术，从而允许液体样品持续地流过含有不对称柱阵列（pillar array）的硅芯片。这种柱阵列允许这种设备分选微小的纳米颗粒，并且根据大小分离最低至几十纳米的颗粒。IBM已将这种硅芯片的大小降至2cm×2cm，同时继续进行开发，旨在增加这种设备的密度从而提高它的功能性和通量。
就好比通过一个小隧道的道路只允许较小的汽车通过同时迫使较大的卡车绕道一样，nano-DLD利用一组柱子让较大的颗粒转向，同时允许较小的颗粒有增无减地流过柱阵列的间隙，从而有效地依据颗粒大小疏通颗粒“交通”，同时不破坏液体样品流动。有趣的是，IBM研究人员注意到nano-DLD柱阵列也能够将很多不同大小的颗粒混合物依据颗粒大小进行分离。
利用IBM巨大的半导体专业知识，IBM研究人员利用可制造的硅芯片工艺产生用于他们的芯片实验室设备的nano-DLD柱阵列。作为正在开展的策略的一部分，IBM研究人员正在努力增加利用他们的设备能够分离出的生物颗粒的特异性，并且改善真实的临床应用的精准度和特异性。（生物谷 ）
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Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm
Benjamin H. Wunsch, Joshua T. Smith, Stacey M. Gifford, Chao Wang, Markus Brink, Robert L. Bruce, Robert H. Austin, Gustavo Stolovitzky & Yann Astier
Deterministic lateral displacement (DLD) pillar arrays are an efficient technology to sort, separate and enrich micrometre-scale particles, which include parasites1, bacteria2, blood cells3 and circulating tumour cells in blood4. However, this technology has not been translated to the true nanoscale, where it could function on biocolloids, such as exosomes. Exosomes, a key target of ‘liquid biopsies’, are secreted by cells and contain nucleic acid and protein information about their originating tissue5. One challenge in the study of exosome biology is to sort exosomes by size and surface markers6, 7. We use manufacturable silicon processes to produce nanoscale DLD (nano-DLD) arrays of uniform gap sizes ranging from 25 to 235 nm. We show that at low Péclet (Pe) numbers, at which diffusion and deterministic displacement compete, nano-DLD arrays separate particles between 20 to 110 nm based on size with sharp resolution. Further, we demonstrate the size-based displacement of exosomes, and so open up the potential for on-chip sorting and quantification of these important biocolloids.
关键词：芯片实验室,外泌体,生物颗粒
信息来源:生物谷
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但礼仪小姐、导购小姐依然是场内的一道风景线。
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　　数十年来，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）可谓是航天探索领域的“急先锋”，他们派遣了多种探测器进入太阳系，为人类了解宇宙乃至自身立下汗马功劳。
　　据《科学美国人》网站18日报道，目前JPL的科学家们正着力探索另外一个神秘的领域：人类的乳腺。他们希望，自己研制的太空探索技术能应用于乳腺癌分析检测，为人类再立新功。
　　行星探测技术
　　也能“接地气”
　　JPL的首要目标是设计并制造机器探测器，用于在火星寻找水源，或钻入木星厚厚的云层之中进行探测。但最近几年，这里的顶级科学家意识到，他们强大的探索技术，或许也能更“接地气”地帮助解决地球上令人望而生畏的医学难题，如对付乳腺癌等。
　　JPL资深科学家利昂&阿尔卡莱说：“JPL拥有很多‘可上九天观星’的技术，这些技术在医学和健康领域也大有用武之地。”阿尔卡莱曾参与过数项太空探索研究，现在是JPL战略规划办公室的负责人。
　　首个医学突破
　　来自乳腺癌
　　资深乳腺癌诊疗医生苏珊&莱福目前正尝试理解乳腺导管内的微生物菌群。乳腺导管是位于皮肤下的管道，能将乳汁输送到乳头。由于几乎所有乳腺癌均肇始于导管内，因此，莱福一直希望为导管“画像”，弄清导管内是否隐藏着一些在诱发乳腺癌中起重要作用的病原体。
　　但她在导管内发现了多于预期的微生物，研究遇到了困难。莱福解释称，用来清洁参与实验志愿者皮肤的防腐剂上沾满了死去的微生物，这些微生物不会给志愿者带来危险，但使分析变得很困难。莱福说：“很难弄清哪些是重要的细菌，哪些只是干扰和污染物。”
　　机缘凑巧。专注于研究行星保护的科学家巴拉圭&瓦夏帕彦在加州大学伯克利分校读博士后期间，一直研究母亲如何同婴儿分享微生物菌群。尽管很多生物学家们一直假定乳房和导管是无菌环境，但瓦夏帕彦认为，情况可能并非如此。
　　他说：“当我看到莱福的研究时，我觉得很有趣。乳房中有很多微生物，我们研制出了多种工具来分析微生物的浓度。这些工具极为灵敏，因为它们必须确保NASA的探测器尽可能少地携带地球上的细菌，以免污染遥远的天体，这些工具可以帮助莱福分析乳房导管中的微生物。”
　　他们携手对23位健康女性和25位得过乳腺癌女性的乳房导管液进行了分析，并用高级测序技术来确定其中的微生物群。结果表明，乳腺导管液的确拥有与众不同的微生物菌群，而且这两种女性乳腺导管液内的微生物群落大相径庭。
　　科学家们估计，这可能意味着，他们在健康女性身上发现的一种微生物，或许是保护妇女不患乳腺癌的“保护神”；但也有可能是辐射和化疗清除了乳腺癌患者体内的这种微生物。
　　不管怎样，这种差异让莱福和加州大学洛杉矶分校的德尔菲娜&李打算进行深入的后续研究。梅奥诊所的微生物菌群研究人员尼克&奇亚也指出，越来越多的证据表明，微生物菌群的变化，的确在乳腺癌发育和扩散方面起重要作用，改变微生物菌群甚至有望成为一种新疗法。
　　更多太空技术大显身手
　　莱福所在的莱福基金一直尝试用常规3D医疗超声波来绘制正在哺乳的健康女性乳腺导管图像，但做到这一点很难。于是，又到了JPL“大显身手”的时候，因为JPL的行星科学家们的第二大任务，正是获得其他天体复杂地形的详细雷达图像。莱福决定，利用JPL的研究来修改乳腺导管系统图谱，她希望，新图谱能使手术专家更精确地进行乳腺癌手术。
　　鉴于JPL科学家对医学领域的兴趣，阿尔卡莱创办了医疗工程学论坛，其主要宗旨是，汇聚愿意从事医学研究的科学家和工程师并为他们提供少量种子资金。
　　这一机构目前仍处于发展初期，但JPL的科学家已开展了多项合作，包括同神经外科医生联手，研制更智能的材料用于脊柱手术，以及开发更好的成像技术等。阿尔卡莱表示，JPL拥有“为星系拍照的超精细探测器，这些探测器当然也可以为人脑绘图和用于癌症手术。”
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腾讯科技讯 众所周知的是，一直在探索苹果手机和苹果表在运动、健康、医疗领域的进一步用途，此前苹果推出了HealthKit平台，能够结合外部的设备，采集更多个人健康信息，并且还和外部医院进行了医学研究的合作。据最新报道，美国华盛顿州立大学的一个研究团队，利用苹果手机的摄像头等功能，构建了一个快速移动“实验室”，能够快速准确诊断若干种癌症。未来，研究团队将实现苹果之外所有的智能手机都能用于构建移动实验室。据美国科技新闻网站9to5mac报道，这一研究的带头人是副教授Lei Li。基于苹果手机的移动实验室，能够快速分析不种不同的样本，极大提高了癌症诊断的准确率。研究团队近日在华盛顿州立大学的官方网站上公布了部分研究结果。据称，他们的便携式实验室，能够侦测人类体内的白细胞介素-6，这是一种具有标记意义的物质，存在于人体的肺部、胸部、肝部等器官，能够判断人体是否出现了癌症的征兆。这个移动实验室中用到了苹果手机，另外也需要用到分光仪等技术。美国媒体指出，这项研究将会给全世界的癌症争端和研究带来巨大变化。这种设备不仅可以用于美国的医院或者诊所，由于实验室非常便携，它也可以用在一些偏远地区，在这些地区过去基本上无法实现精准的癌症诊断。上述的学者已经为相关研究成功申请了专利。他介绍说，通过八个通道的分光仪，他们可以在同一个实验中分析八组样本，这将会大大提高效率。这位学者之的移动实验室，之前使用的是苹果iPhone 5手机，他正在进行修改，能够让所有的智能手机都用于这一移动实验室目的。（综合/晨曦）
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