CN107843728B - 生物微粒捕捉与撷取系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明生物微粒捕捉与撷取系统及方法，一捕捉装置包括一设在一基板上且在其顶表面形成有多个排列呈一鱼骨结构的导流凹槽的绝缘层，该绝缘层还在该顶表面与所述导流凹槽的槽底面形成有多个分别可容置单个目标生物微粒的微孔。当一承载于该绝缘层的顶表面且含有多个目标生物微粒的液态检体通过一微机电流体驱动单元的驱动而流经该顶表面时，每一微孔容易捕捉到来自该液态检体的单个目标生物微粒。当一安装在一微量分注器的尖端并涂布有可与该目标生物微粒结合的抗体的载体接近到每一微孔时，该微孔所捕捉到该目标生物微粒经与该抗体结合而脱离该液态检体，可有效且容易地将液态检体中所含的目标生物微粒以一个一个的方式被撷取出，以利后续分析。

Description

生物微粒捕捉与撷取系统及方法
技术领域
本发明是有关于生物微粒的捕捉与撷取，特别是指用于从一液态检体中捕捉与撷取单一个目标生物微粒的生物微粒捕捉与撷取系统及方法。
背景技术
癌症是现今人类最主要的死亡原因之一，虽然癌症的形成机转仍未被完全地了解，但近年来癌细胞的转移(metastasis)已被视为癌症致死的主要原因之一。然而，癌细胞会不断地增生(proliferate)并且会经由淋巴系统(lymphatic system)或血管系统(vascular system)转移至其他的身体部位，此种通过淋巴系统或血管系统而在人体内循环的癌细胞被称为循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTC)。
近年来循环肿瘤细胞的检测已成为癌症治疗研究的重要方向之一，现今已有使用不同的技术来捕获循环肿瘤细胞，包含有流动式细胞测量分析、细胞过滤以及免疫磁珠分离法，其中免疫磁珠分离法是目前较为常见的检测方法。简言之，该检测方法是先在一含有多个目标细胞的检体中加入多个含有可与所述目标细胞结合的特定抗体的磁珠，并待该检体中的目标细胞与所述磁珠上的特定抗体结合后，收集结合有所述目标细胞的所述磁珠，以达成细胞分选的目的。然而，由于每一磁珠上的特定抗体可同时与多个目标细胞结合，并且与该特定抗体结合的所述目标细胞彼此相互堆栈成一团，因此难以将堆栈成一团的目标细胞一个一个地分开与撷取，以利后续分析。
因此，如何改善上述缺点，遂成为本案进一步要探讨的主题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能从一含有多个目标生物微粒的液态检体中捕捉与撷取单一个目标生物微粒的生物微粒捕捉与撷取系统及方法。
本发明生物微粒捕捉与撷取系统，用于一含有多个目标生物微粒的液态检体，并可操作在一捕捉模式与一撷取模式，该生物微粒捕捉与撷取系统包含一捕捉装置以及一撷取装置。该捕捉装置包括一基板、一绝缘层以及一微机电流体驱动单元。该绝缘层设在该基板上，并具有一顶表面，该顶表面形成有多个排列呈一鱼骨结构的导流凹槽，该绝缘层还具有多个分别定义出所述导流凹槽的槽底面，该绝缘层的该顶表面与每一槽底面分别形成有多个微孔，每一微孔被规划成可容置单一个目标生物微粒，该液态检体可被允许滴在该绝缘层的该顶表面的一无任何导流凹槽或微孔的区域上。该微机电流体驱动单元包含一设在该基板与该绝缘层间的电极阵列、及一电连接该电极阵列的控制电路。当该生物微粒捕捉与撷取系统操作在该捕捉模式时，该微机电流体驱动单元通过该控制电路施加给该电极阵列的多个电压的控制方式，来驱动在该绝缘层的该顶表面上的该液态检体，以一所欲流速朝向所述导流凹槽流动，以使得受到该微机电流体驱动单元的驱动以及所述导流凹槽的导流作用的该液态检体，在一所欲流动方向，流经所述微孔，以致每一微孔容易捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒。该撷取装置包括一微量分注器，该微量分注器具有一尖端、及一安装在该尖端的载体，该载体具有一涂布有可与该目标生物微粒结合的抗体的外表面。当该生物微粒捕捉与撷取系统操作在该撷取模式时，该微量分注器被驱动以使得该载体接近每一微孔，以致该微孔所捕捉到的该目标生物微粒经与涂布在该载体的该外表面上的该抗体结合且沾附在该载体上，并使得该载体远离该微孔，以致沾附在该载体的该目标生物微粒脱离该液态检体。
较佳地，每一导流凹槽具有一箭头状，且所述导流凹槽所指示的一方向作为该所欲流动方向。
较佳地，该微机电流体驱动单元是利用介电润湿技术，以便使该液态检体在驱动期间移动。
较佳地，该载体包含一磁珠团。
较佳地，该基板形成有多个外露的定位标记；及该撷取装置还包含一用于支承且移动该微量分注器的驱动单元，该驱动单元至少根据所述定位标记来达成该载体与每一微孔间的定位。
较佳地，该基板是一印刷电路板与一玻璃板的其中一者。
较佳地，该基板是由硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚甲基硅氧烷(PDMS)的其中一者所制成。
本发明生物微粒捕捉与撷取方法，适用于一含有多个目标生物微粒的液态检体，并通过如前所述的生物微粒捕捉与撷取系统来实施，该生物微粒捕捉与撷取方法包含：(A)通过该捕捉装置，驱动该液态检体流经所述微孔，以使得该绝缘层的每一微孔可捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒；及(B)通过该撷取装置，移动该微量分注器，以便在该载体接近每一微孔时，通过涂布在该载体上的该抗体与该微孔所捕捉到的该目标生物微粒结合后而沾附在该载体的方式，将该目标生物微粒自该液态检体撷取出。
较佳地，在步骤(A)中，该捕捉装置是利用介电润湿技术，以便使该液态检体在驱动期间中移动。
本发明的有益效果在于：通过该捕捉装置所提供的所述导流凹槽并配合该微机电流体驱动单元来驱动该液态检体流经所述微孔，以使得该绝缘层的每一微孔可有效且容易地捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒。另一方面，通过该撷取装置所提供的该载体上的该抗体来结合每一微孔所捕捉到的单一个目标生物微粒，可有效且容易地将该液态检体中所含的所述目标生物微粒以一个一个的方式被撷取出，以利后续分析。
附图说明
图1是一方块图，说明本发明生物微粒捕捉与撷取系统的一实施例的部分元件的操作关系；
图2是一俯视示意图，说明该实施例的一捕捉装置；
图3是该实施例的该捕捉装置的一沿着图2中III-III线所取的剖面示意图；及
图4是一示意图，说明该实施例的一撷取装置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，本发明生物微粒捕捉与撷取系统100的一实施例包含一捕捉装置1以及一撷取装置2。该生物微粒捕捉与撷取系统100是用于一含有多个目标生物微粒的液态检体，例如，该液态检体可是一来自于动物的体液检体(血液、淋巴液、唾液、尿液等)，但不在此限制，而该目标生物微粒可以是特定的细胞[如循环肿瘤细胞(circulating tumorcells,CTC)、胎儿有核红血球细胞(fetal nucleated red blood cells,FNRBC)]、病毒或细菌。在其他实施例中，该液态检体也可是一来自植物的液态检体。
请同时参阅图2与图3，该捕捉装置1包括一基板11、一绝缘层12及一微机电流体驱动单元13(图2与图3未示出)。
在此实施例中，该基板11例如为一矩形的印刷电路板或一玻璃板，但不在此限制。在其他实施例中，该基板11也可由硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基硅氧烷(PDMS)所制成。
该绝缘层12是设在该基板11上，并具有一顶表面121，该顶表面121形成有多个导流凹槽123，每一导流凹槽123具有一箭头状。在本实施例中，如图2所示，所述导流凹槽123例如可被分成两组，即一位于图2上方的第一组、及一位于图2下方的第二组，但不以此为限。每组的导流凹槽123排列成一鱼骨结构，并指示同一方向，即第一组导流凹槽123指示出例如图2中的一向右方向，而第二组导流凹槽123指示出例如图2中的一向左方向，但不以此为限。在其他实施例中，该绝缘层12的该顶表面121可被设计成形成有单一组或更多组的导流凹槽123。较佳地，该绝缘层12的该顶表面121涂布有链霉抗生物素蛋白(Streptavidin)。
此外，该绝缘层12还具有多个分别定义出所述导流凹槽123的槽底面122，并在该顶表面121与每一槽底面122分别形成有多个以例如一规律的方式排列的微孔124，具体而言,所述微孔124形成在该顶表面121非属导流凹槽123的区域，也形成在导流凹槽123对应的槽底面122上。应注意的是，每一微孔124被规划成具有一可容置单一个目标生物微粒的大小。举例来说，当该目标生物微粒为循环肿瘤细胞时，每一微孔124的直径可在例如一10μm至30μm的范围中，而当该目标生物微粒为病毒时，每一微孔124的直径可为例如200nm。值得注意的是，为了清楚绘示出所述导流凹槽123与所述微孔124，图2及图3中的所述导流凹槽123与所述微孔124在尺寸上皆以较夸大的微观方式来呈现。
再者，在本实施例中，该基板11具有一顶表面110，且该基板11的该顶表面110的面积大于该绝缘层12的面积，以致该基板11的该顶表面110具有一未被该绝缘层12覆盖的外露部分，而该基板11的该顶表面110的外露部分形成有多个定位标记111。在本实施例中，该基板11的该顶表面110的外露部分形成有四个例如十字型的定位标记111，但不以此为限。
该微机电流体驱动单元13包含一设在该基板11与该绝缘层12间的电极阵列131，以及一电连接该电极阵列131的控制电路132。该电极阵列131例如包含2×6个金属电极1311，但不以此为限。该控制电路132是利用一已知的控制方式对于每一金属电极1311施加一对应的电压。值得注意的是，在本实施例中，该控制电路132例如是以外接的方式电连接该电极阵列131。然而，在其他实施例中，该控制电路132可以是集成电路，且可被整合于该基板11中。
举例来说，该微机电流体驱动单元13可利用介电润湿(electrowetting-on-dielectric,EWOD)技术，但不以此为限，来对于承载于该绝缘层12的该顶表面121的任何液体进行流动操控。因此，无需使用外加泵，即可使得承载于该绝缘层12的该顶表面121的任何液体在驱动期间中移动。
参阅图4，该撷取装置2包括一微量分注器21以及一用于支承及移动该微量分注器21的驱动单元22。
该微量分注器21具有一尖端211以及一安装在该尖端211的载体212。在本实施例中，该载体212例如为一磁珠团，但不在此限制。该载体212具有一外表面213，该外表面213涂布有可与该目标生物微粒结合的抗体214，例如上皮细胞黏着分子(Epithelial celladhesion molecule,EpCAM)，但不在此限制。
在本实施例中，该驱动单元22例如包含一用来驱动该微量分注器21的驱动模块221、一影像撷取模块222及一定位控制模块223(见图1)。该影像撷取模块222是用来撷取例如一包含该绝缘层12的该顶表面121及所述定位标记111的显微影像。该定位控制模块223电连接该驱动模块221及该影像撷取模块222，并接收来自该影像撷取模块222的该影像。该定位控制模块223根据该影像来控制该驱动模块221，以便达成该载体212与该绝缘层12每一微孔124间的定位。
该生物微粒捕捉与撷取系统100可被用来实施本发明用于该液态检体的生物微粒捕捉与撷取方法，并依照该生物微粒捕捉与撷取方法，可依序操作在一捕捉模式与一撷取模式。
在该捕捉模式时，首先，该液态检体被允许滴在该绝缘层12的该顶表面121的一无任何导流凹槽123或微孔124的区域，例如图2所示的左上角区域，但不以此为限。该微机电流体驱动单元13会通过该控制电路132施加给该电极阵列131的所述电压的控制方式，例如EWOD控制方式，来驱动该液态检体的流动，以一所欲流速先朝向该第一组导流凹槽123流动(即向图2的右方流动)。由于该第一组导流凹槽123的导流以及该微机电流体驱动单元13的流体驱动控制，该液态检体可均匀流经该第一组导流凹槽123直到例如图2所示该绝缘层12的该顶表面121的右侧部(无任何导流凹槽123的区域)。之后，同样地通过该微机电流体驱动单元13的流体驱动控制，使该液态检体接着朝向该第二组导流凹槽123流动(即向图2的左方流动)，并加上该第二组导流凹槽123的导流，以致该液态检体能均匀地流经该第二组导流凹槽123。最后，该液态检体可流至例如图2所示该绝缘层12的该顶表面121的一左下角区域(无任何导流凹槽123或微孔124)。
值得注意的是，在该液态检体的流动期间，由于该微机电流体驱动单元13所执行的如介电润湿(EWOD)控制，该液态检体在驱动期间中移动，借此来避免该液态检体的层流情形以及减少沉积现象。因此，该液态检体可均匀地流经所述微孔124，以致每一微孔124容易捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒。此外，由于每一微孔124的底部涂布有链霉抗生物素蛋白，可与被捕捉在该微孔124中的单一个目标生物微粒产生亲和作用，以使得该目标生物微粒保留在该微孔124里。
接着，为了从每一微孔124中撷取出该目标生物微粒，该生物微粒捕捉与撷取系统100被操作在该撷取模式。
在该撷取模式时，为了便于辨识出捕捉有目标生物微粒的微孔124，选择上可先利用例如免疫荧光技术(Immunofluorescence technique)，但不以此为限，每一微孔124所捕捉到的单一个目标生物微粒是以荧光来加以标示辨别。该影像撷取模块222撷取一包含该绝缘层12的该顶表面121及所述定位标记111的显微影像。在此情况下，该显微影像还包含有多个分别对应于所述加标有荧光的目标生物微粒的影像部分。该定位控制模块223根据来自该影像撷取模块222的该影像，获得所述加标有荧光的目标生物微粒的每一者相对于所述定位标记111的位置，并且根据所获得的所述位置来控制该驱动模块221，以使得该驱动模块221能以该载体212对准每一特定微孔124(即捕捉有单一目标生物微粒的微孔124)的定位方式来驱动该微量分注器21移动，以使该载体212接近该特定微孔124，进而通过涂布在该载体212的该外表面213上的该抗体214来结合该特定微孔124所捕捉到的单一个目标生物微粒，并且脱离该液态检体而沾附在该载体212上，借此可将该捕捉装置1所捕捉到的所有目标生物微粒以一个一个的方式自该液态检体中撷取出。值得注意的是，每次所撷取出但沾附在该载体212上的目标生物微粒可经由物理或化学方式例如浸泡胰蛋白酶(Trypsin)而脱离该载体212，以获得单一个目标生物微粒，以利之后的检测编程。
综上所述，本发明生物微粒捕捉与撷取系统100通过该捕捉装置1的该微机电流体驱动单元13的驱动以及所述导流凹槽123的导流作用来驱动该液态检体流经所述微孔124，以使得来自该液态检体的单一个目标生物微粒可被一微孔124捕捉到。接着，通过该撷取装置2所提供的该载体212上的该抗体214与该微孔124所捕捉到的单一目标生物微粒结合，借此达到该液态检体中所含的所述目标生物微粒以一个一个的方式被撷取出，所以确实能达成本发明的目的。
惟以上所述者，只为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种生物微粒捕捉与撷取系统，用于一含有多个目标生物微粒的液态检体，并可操作在一捕捉模式与一撷取模式，其特征在于：该生物微粒捕捉与撷取系统包含：
一捕捉装置，包括
一基板；
一绝缘层，设在该基板上，并具有一顶表面，该顶表面形成有多个排列呈一鱼骨结构的导流凹槽，该绝缘层还具有多个分别定义出所述导流凹槽的槽底面，该绝缘层的该顶表面与每一槽底面分别形成有多个微孔，所述微孔是彼此不相通的盲孔，每一微孔被规划成可容置单一个目标生物微粒，该液态检体可被允许滴在该绝缘层的该顶表面的一无任何导流凹槽或微孔的区域上；及
一微机电流体驱动单元，包含一设在该基板与该绝缘层间的电极阵列、及一电连接该电极阵列的控制电路，当该生物微粒捕捉与撷取系统操作在该捕捉模式时，该微机电流体驱动单元通过该控制电路施加给该电极阵列的多个电压的控制方式，来驱动在该绝缘层的该顶表面上的该液态检体，以一所欲流速朝向所述导流凹槽流动，以使得受到该微机电流体驱动单元的驱动以及所述导流凹槽的导流作用的该液态检体，在一所欲流动方向，流经所述微孔，以致每一微孔容易捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒；及
一撷取装置，包括一微量分注器，该微量分注器具有一尖端、及一安装在该尖端的载体，该载体具有一涂布有可与该目标生物微粒结合的抗体的外表面，当该生物微粒捕捉与撷取系统操作在该撷取模式时，该微量分注器被驱动以使得该载体接近每一微孔，以致该微孔所捕捉到的该目标生物微粒经与涂布在该载体的该外表面上的该抗体结合且沾附在该载体上，并使得该载体远离该微孔，以致沾附在该载体的该目标生物微粒脱离该液态检体。
2.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：每一导流凹槽具有一箭头状，且所述导流凹槽所指示的一方向作为该所欲流动方向。
3.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：该微机电流体驱动单元是利用介电润湿技术，以便使该液态检体在驱动期间移动。
4.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：该载体包含一磁珠团。
5.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：
该基板形成有多个外露的定位标记；及
该撷取装置还包含一用于支承且移动该微量分注器的驱动单元，该驱动单元至少根据所述定位标记来达成该载体与每一微孔间的定位。
6.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：该基板是一印刷电路板与一玻璃板的其中一者。
7.根据权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统，其特征在于：该基板是由硅、聚甲基丙烯酸甲酯及聚甲基硅氧烷的其中一者所制成。
8.一种生物微粒捕捉与撷取方法，适用于一含有多个目标生物微粒的液态检体，并通过如权利要求1所述的生物微粒捕捉与撷取系统来实施，其特征在于：该生物微粒捕捉与撷取方法包含：
(A)通过该捕捉装置，驱动该液态检体流经所述微孔，以使得该绝缘层的每一微孔可捕捉到来自该液态检体的单一个目标生物微粒；及
(B)通过该撷取装置，移动该微量分注器，以便在该载体接近每一微孔时，通过涂布在该载体上的该抗体与该微孔所捕捉到的该目标生物微粒结合后而沾附在该载体的方式，将该目标生物微粒自该液态检体撷取出。
9.根据权利要求8所述的生物微粒捕捉与撷取方法，其特征在于：在步骤(A)中，该捕捉装置是利用介电润湿技术，以便使该液态检体在驱动期间中移动。
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