在一項新的研究中，IBM研究人員開發出一種新的芯片實驗室技術，該技術首次能夠分離出納米尺度的生物顆粒，從而可能能夠讓醫生們在癥狀出現之前檢測癌癥等疾病。相關研究結果于2016年8月1日在線發表在Nature Nanotechnology期刊上，論文標題為“Nanoscale lateral displacement arrays for the separation of exosomes and colloids down to 20 nm”。

     這項研究的結果表明這種技術能夠分離基于顆粒大小對直徑最低至20納米的生物顆粒進行分離，這種尺度允許人們分離出DNA、病毒和外泌體（exosome）等重要的顆粒。一旦被分離出，這些顆粒能夠被醫生們潛在地分析以便在病人出現任何身體癥狀之前揭示出疾病的征兆，以及治療結果在何時是最佳的。在此之前，利用芯片技術基于大小能夠分離出的最小生物顆粒大約是從其他的生物組分中分離出的循環腫瘤細胞的50倍。

     IBM正在與來自美國西奈山伊坎醫學院的研究人員合作繼續開發這種芯片實驗室技術，并且計劃在前列腺癌上測試這種技術。

     在精準醫療時代，外泌體越來越被視為有用的診斷和預測惡性腫瘤的生物標志物。外泌體是在容易獲取的血液、唾液和尿液等體液中釋放的。它們代表著一種珍貴的生物醫學工具，這是因為它們能夠被用于侵入性更小的液體活檢中以便揭示出癌癥的起源和性質。

     由于現存的分離和純化液體活檢樣品中外泌體的技術面臨挑戰，IBM研究人員利用他們的設備（即芯片實驗室）靶向研究外泌體。外泌體的大小在20納米和140納米之間，含有關于它們從中脫落的初始細胞的健康信息。確定外泌體的大小、表面蛋白和核酸運載物能夠提供關于產生中的癌癥和其他疾病的存在和狀態方面的重要信息。

     這項研究的結果證實它們能夠從更小的顆粒中分離和檢測最小至20納米的顆粒；100納米及以上的外泌體能夠與較小的外泌體分離開，而且即便存在擴散，這種分離也能夠發生。在與西奈山伊坎醫學院的合作下，IBM研究人員計劃證實他們的設備能夠從病人的液體活檢樣品中挑選出攜帶癌癥特異性生物標志物的外泌體。

     論文共同通信作者、IBM轉化系統生物學與納米生物技術項目主任Gustavo Stolovitzky說，“利用基于芯片的技術在納米尺度上分選和富集生物標志物的能力為理解癌癥等疾病和流感病毒或寨卡病毒等病毒打開大門。我們的芯片實驗室設備能夠提供一種簡單的非侵入性的和可負擔得起的選擇來潛在地檢測和監控疾病，甚至是在它的最早階段，在人體癥狀出現很早之前進行檢測和監控。這種多出的時間允許醫生們作出更多的知情決策和治療方案的預后在何時是最佳的。”

在納米尺度上分選生物顆粒

     芯片實驗室技術已成為醫生們的一種非常有幫助的診斷工具，這是因為它們需要更少的樣品量，有助快速地、可攜帶地和便于使用地檢測疾病。

     利用一種被稱作納米級確定性側向位移（nanoscale deterministic lateral displacement, nano-DLD）的技術，IBM科學家Joshua Smith博士和Benjamin Wunsch博士領導的一個研究團隊開發出一種芯片實驗室技術，從而允許液體樣品持續地流過含有不對稱柱陣列（pillar array）的硅芯片。這種柱陣列允許這種設備分選微小的納米顆粒，并且根據大小分離最低至幾十納米的顆粒。IBM已將這種硅芯片的大小降至2cm×2cm，同時繼續進行開發，旨在增加這種設備的密度從而提高它的功能性和通量。

     就好比通過一個小隧道的道路只允許較小的汽車通過同時迫使較大的卡車繞道一樣，nano-DLD利用一組柱子讓較大的顆粒轉向，同時允許較小的顆粒有增無減地流過柱陣列的間隙，從而有效地依據顆粒大小疏通顆粒“交通”，同時不破壞液體樣品流動。有趣的是，IBM研究人員注意到nano-DLD柱陣列也能夠將很多不同大小的顆粒混合物依據顆粒大小進行分離。

     利用IBM巨大的半導體專業知識，IBM研究人員利用可制造的硅芯片工藝產生用于他們的芯片實驗室設備的nano-DLD柱陣列。作為正在開展的策略的一部分，IBM研究人員正在努力增加利用他們的設備能夠分離出的生物顆粒的特異性，并且改善真實的臨床應用的精準度和特異性。