| 執行方法及步驟 |
癌症是人類遺傳疾病中最嚴重的一種，可能導致多數患者死亡。黑色素瘤是由不受控制的惡性黑色素細胞聚集而成，為皮膚腫瘤中最危險及致命的疾病之一。目前的醫學干預，如放射治療、化學治療或免疫治療，均不足以有效治療肺部惡性轉移性黑色素瘤。患者在投藥前先進行基因測序，可以找出患者是否在特定基因上突變，然而，由於癌症的複雜性，常常會出現已知癌症基因未出現突變，或是突變的位置沒有相對應藥物的情況，這時該如何投藥僅能靠醫生的經驗。為了解決這個問題，目前已有技術為抽出患者血液，分離出癌細胞，放大培養，並在投藥前先進行藥物測試，選出最好的藥物。這樣可避免浪費醫療資源與降低患者痛苦，但仍有以下問題。 (1) 實驗耗費時間長，拖累病情。 (2) 需要消耗大量耗材，價格昂貴。 (3) 耗費人力。 (4) 無法及時測量，在真正用藥下無法即時監控。具有以上原因的關鍵點在於，目前測量用藥後細胞存活的技術不足，最低細胞數都要在2,000顆以上才能測出顯著結果，且價格昂貴又無法重複利用，為了解決以上問題，我們設計了液珠微流體系統解決上述問題。 - 本計畫開發雙反應型水膠與微液珠介電泳分選晶片，用於癌症藥物的藥效快速評估。
- 本計畫以溫感型和酸鹼型為主，開發一種雙反應型且具高靈敏性與高生物相容性的可逆式水膠，用於黑色素瘤細胞的3D培養。
- 本計畫透過微製程方式，開發液珠微流道晶片，將培養好的黑色素瘤細胞包埋在雙反應型水膠材料，進行3D培養。
- 開發微流道分選晶片，並整合立體電極，以細胞在液珠內代謝量的不同，導致液珠整體導電度的變化為指標，利用介電泳力對不同細胞活性的液珠進行分選。
- 探討不同介電泳參數(頻率、電壓與液珠流速等)對藥物效力分選的影響，並最佳化微流道分選晶片。
|
| 執行績效 |
- 雙反應型水膠: 利用溫感型和酸鹼型特性以開發一種雙反應且具高靈敏性與高生物相容性的可逆式水膠。
- 液珠產生晶片: 利用不同相性的流體(水膠/油)，以夾擠的方式，將含有黑色素瘤細胞與抗癌藥物，包埋在液珠當中。可產生許多微小液珠 (d = 100 ± 5 μm)，並限制細胞的代謝產物的擴散，達到試劑減少、濃縮產物與放大檢測的效果。
- 介電泳分選晶片: 利用交流電場產生介電泳力，對不同導電度的液珠進行免標的的分選。在同樣收集效率的情況下，液珠導電度的增加，會降低所最小需要施加的電壓，導電度的變化範圍在28-482 μS/cm，其關係係數為6.5 (μS/cm)/V，R2 = 0.97。
- 介電泳分選晶片: 施予200 Vpp與10kHz的電場所產生的介電泳力，對包埋3顆細胞以上的水膠液珠，收集率達到93.5% (n = 103)。
- 介電泳分選晶片: 施予200 Vpp 與 10 kHz的電場所產生的介電泳力，對包埋含有抗癌藥物與黑色素瘤細胞的水膠液珠，收集率下降到10.6% (n = 132)。
|
| 結論與建議 |
首先感謝 ENABLE 計畫的補助，透過此次ENABLE 計畫的補助，讓此跨領域團隊得以成立及合作。精準醫療 (precision medicine) 為目前全世界研究人員的努力方向，以檢測個體化差異給予最適化醫療程序為未來醫療發展的趨勢。以癌症治療來說，病患在化療(chemotherapy)前可以透過基因測序，找出患者是否存在特定的基因突變，以增加化療的藥物效力。但即使如此，癌症治療的治癒率依然不是很高，以黑色素癌為例，其發生主要源於BRAF(V600E) 基因的突變，但有一半左右的患者卻對BRAF抑制劑不敏感，治療效果甚微。因此，除了基因測序之外，藥物對個別病患的療效也是精準醫療中重要的一環。經由此次的合作，我們團隊設計出發展高靈敏的雙反應水膠，結合微流體晶片與介電泳技術，以黑色素瘤抗癌藥物的藥效作為標的，開發免標定式快速藥效評估的平台。而這一種新型水膠對溫度具有高靈敏 (thermal sensitive hydrogel，30℃以下為液體；30℃以上為膠體)，而液珠是由溫感水膠和酸鹼性水膠 (pH sensitive hydrogel) 複合而成的，水膠上包含了親水基與疏水基，兩種類的官能基會互相競爭。在低溫環境下，親水基使得水膠藉由氫鍵相連接而在水中展開，形成均勻的溶液即為液態水膠；反之，溫度高於30℃，水膠就會由液態轉變成膠狀。而酸鹼性的水膠會隨著pH值的改變而有膨潤、去膨潤的現象，在基本物性測試以及生物相容性測試都具有良好的結果。在未來應用上這類的水膠可用於藥物運輸或作為生物感測器使用。另一方面，液珠微流體產生晶片可以穩定有效的包埋目標物(細胞和藥物)在一個直徑為100 ± 5 μm的液珠之中，使得細胞的代謝物被限制在液珠中，進而改變液珠的導電度。而液珠微流體分選晶片則是整合了立體電極和微流道，通過介電泳的方式，對不同導電度的液珠進行分選，以了解在抗癌藥物的影響下，黑色素瘤細胞代謝活性的下降，進而評估抗癌藥物的藥效。在導電度的變化範圍在28 −482 μS/cm，此分選晶片所施加最小電壓與導電度關係係數為6.5(μS/cm)/V。而施予200 Vpp與10kHz的電場所產生的介電泳力，對包埋3顆細胞以上的水膠液珠， 收集率可達到93.5% (n = 103); 以同樣的參數對包埋含有抗癌藥物與黑色素瘤細胞的水膠液珠，收集率下降到10.6% (n = 132)。此結果顯示藥效抑制了黑色素瘤細胞的代謝，甚至殺死細胞，導致導電度變化甚低，無法被分選晶片收集下來。相較於傳統的藥篩方式，此系統以分選率作為抗癌藥物藥效的指標，可減少大量的時間、試劑與樣本的消耗。未來，此介電泳微液珠分選晶片結合高靈敏雙反應水膠在朝向自動化藥物篩選藥效分析平台，有巨大的發展潛力。 |
| 附件 |
附件1 |
