2014年7月29日

微機電系統於居家健康檢測的趨勢

【自己在家做醫生?】因應未來個人化居家照護之醫療需求,微機電技術運用於微分析系統已成為發展中的重要科技。

作者/陳柏翰(陳柏翰:任職臺灣大學電子工程學研究所)、薛孝庭(任職臺灣大學生醫電子與資訊學研究所)、林致廷(任職臺灣大學電子工程學研究所/生醫電子與資訊學研究所)

隨著科技日新月異、醫療設備快速發展且食物豐沛,人類平均壽命得已延長,全球即將進入老齡化的社會。而在臺灣,除了老齡化社會的到來,醫療人員也面臨嚴重不足的問題。由臺灣近年來死亡原因統計(資料來源:行政院衛生署)可看出,國人十大死因第一位為惡性腫瘤,其次為心血管疾病及其併發症,肺部、肝部疾病,而其中四項又與心血管疾病或其併發症相關。除此之外,由於臺灣外食人口眾多,導致患有三高(高血壓、高血脂及高血糖)的人數比例近年來也大幅提升,並有年輕化的趨勢。因此,血糖、血壓及血脂的監控對於此類慢性病患者是非常重要的,這些患者每週需量測約四次血糖,藉由觀察身體的血糖濃度來控制糖分的攝取,減少併發症的發生。

不論是疾病或者血糖、血脂的檢測方式,都有個共通點,就是大多需要藉由量測血液中待測物(特定分子)的濃度來判斷。然而,在傳統醫院執行檢測前需要先將血液分離及細胞培養才可進行檢測,過程相當耗時,因此大多數患者得在看診前一周或數周前先至醫院進行抽血檢查,才能回診。這樣的流程除了花費許多人力、物力外,大量的人員進出醫院也容易造成疾病交互傳染,若檢測方法對於急性併發症或疾病無法達到及時發現的效果,將可能延誤病患治療的黃金時間,甚至喪失治癒的機會。

因此,致力於研發可應用在居家照顧(point of care)的醫療檢測機台,除了能減少出入醫院的頻率以抑制疾病傳遞的風險外,也能更有效地協助病患自我追蹤且控制疾病。為了達到此目的,許多研究團隊希望利用微機電系統(MEMS)科技達成實驗室晶片(lab on a chip)技術,此一晶片能包含數個機制進行一個或多個血液檢測,如:全血分離、提升待測物濃度及檢測等,以完成醫療檢測機台微型化及居家化的目標,例如「血糖儀」即為已廣受使用的居家檢測機台。

現今的生醫檢測技術
為了達到居家照護的目標,現今醫院的生醫檢測系統是必須被了解的,如:離心法(centrifugation)、親和性分離法(affinity separation) 及流式細胞分析儀(flow cytometry)被廣泛應用於血液的分離;利用聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction, PCR)放大基因數量以複製基因,及現今廣泛應用於疾病檢測系統的酵素連結免疫吸附分析法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)等。

(一)血液的分離
在生醫檢測系統中,如何將想要的細胞從血液中分離是一個非常重要的課題,由於細胞或生物樣品在血液中的數量非常少,所以如何由血液中正確取出細胞並且在過程中維持其細胞活性就變得相當關鍵。目前實驗室或醫學中心廣泛應用的血液分離方法為離心法(圖一a),它是將存有細胞懸浮液的離心管,利用高速旋轉所產生的離心力分離細胞。由於每種細胞的密度、形狀及大小都不相同,受到離心力作用時所產生的沉澱速度也不相同,故利用此特性來分離細胞,而進行離心時,細胞懸浮液的密度、離心速度及時間都是需要考慮的重要因素。
圖一:一般常見的血液分離方法:
(a)離心法(centrifugation)
(b)親和性分離法(affinity separation)
(c)流式細胞分析儀(flow cytometry)

另外,也有利用將抗體修飾於基板表面,當血液經過這些表面時,由於抗體與抗原擁有專一性鍵結的特性,故只有特定的抗原或細胞才會被黏著於基板表面,當分離完後再利用物理震盪或酵素消化基質等方式取出我們想要的細胞或是生物分子,此種方法稱為親和性分離法(圖一b)。此外,流式細胞分析儀也受到廣泛的應用,它不僅用於分離細胞,也可用來確認細胞的選擇,比如鑑定細胞的標記、分裂週期、DNA含量、細胞凋零(apoptosis)等。其流程為先將含有螢光分子的抗體加入含有細胞的懸浮液中,藉由抗體與抗原的專一性鍵結,使含有螢光分子的抗體與細胞上的抗原連接,再利用管路輸送生物分子並以雷射光激發螢光物質來判別生物分子,此外,再以電場吸引目標的生物分子,達到細胞分離及判斷(圖一c)。......【更詳細的內容,請參閱第536期科學月刊】

延伸閱讀
1. Murray R. K. et al., Harper’s Illustrated Biochemistry, New York, McGraw-Hill, 2003.
2. Wu, G. et al., Bioassay of prostate-specific antigen (PSA) using microcantilevers, Nature Biotechnology, Vol. 19: 856-860, 2001.
3. Janshoff, A. and Steinem, C., Piezoelectric Sensors, Berlin, Springer, 2007.

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