By Kristina Mayer

埃特爾（Peter Ertl）是奧地利維也納工業大學（TU Wien）教授兼細胞晶片研究團隊負責人，當初我與埃特爾教授接觸時，我們談論到他在開發實驗室晶片（lab-on-a-chip）所遇到的趣事。實驗室晶片是一種微小且可獨立運作的裝置，可用於研究抗癌藥物毒性乃至血腦障壁滲透性。近期這項技術正被用於開發COVID-19檢測方法，未來有望在短短幾分鐘內，就可以獲得準確的COVID-19檢測結果。 

埃特爾博士表示，當前的COVID-19診斷方法，難以有效對付COVID-19所造成的疫情，因此需要更快速、高靈敏度、高可靠性的檢測方式。現今的PCR技術雖然可以達到全面性檢測，但通常得耗費24小時才能獲得結果，檢測結果的有效期限也只有幾天，這代表人們將不能參加一些長期活動。目前雖然有替代方案，例如側流抗原檢測（lateral flow and the antigen testing），但是這些方式依舊不夠靈敏。這些檢測方法對於病毒量高的患者或許有顯著的檢測結果，然而對於那些可能在不經意下傳播疾病的無症狀感染者，開發出有效的檢測方法更顯得十分重要。

利用具資料串流功能的生物晶片，開發有力且高效的COVID-19診斷工具

針對這些問題，埃特爾博士和他的團隊開發了一種生物晶片技術，可以在短短幾分鐘內有效檢測到3~5個病毒顆粒，同時排除偽陰性，因此可以明確診斷出無症狀的患者，幫助他們自行隔離以抑制COVID-19的傳播。這種生物晶片配有獨立電源、顯示單元和無線傳輸數據的能力（如下圖），讓流行病學中心可以有效率地收集檢測數據，從而掌握準確的病例數以及疫情狀況。 

COVID-19生物晶片的工作原理：生物晶片技術使用一層固定在微流體槽上的抗體，這層抗體會結合樣本中含有的所有目標病毒，在此即為引發COVID-19症狀的SARS-CoV-2病毒。在檢測過程中，由奈米金所標記的二級抗體會與病毒顆粒結合，然後在此階段添加銀粒子溶液，讓銀與金反應生成導電奈米橋，最終產生電流而導通LED（發光二極體），甚至可以連接傳輸裝置，將所得到的生物檢測數據以無線方式輸出。

OLYMPUS　IXplore™活細胞成像平台在驗證COVID-19生物晶片功能上的角色

這個生物檢測技術能否發揮功能，取決於抗體的品質以及它們固定在微流體槽表面上的程度，還有導線啟斷（interrupted electrical lead）的間距。為了優化這一點，埃特爾博士和細胞晶片研究團隊測試了不同的固定方式。使用OLYMPUS IXplore™ Live活細胞成像系統和二級螢光標定抗體，能夠檢測幾項關鍵參數，包括抗體密度、方向和序列比對，這些參數對於生物晶片檢測來說至關重要（見下圖）。

利用Olympus IXplore Live顯微鏡搭配4X物鏡以及二級螢光標記抗體，能夠測定出goat-rat（山羊抗大鼠）的IgG抗體在玻璃基板上的密度。上圖顯示，抗體濃度下降（從左到右）程度與螢光強度的下降趨勢一致。

埃特爾博士解釋：「IXplore Live系統對於拓展生物晶片開發非常有用，這套系統為我們的實驗室提供了高影像分辨率，而且整體系統的性價比無可取代。除了研究COVID-19，IXplore Live儼然已成為我們實驗室的主力工具，未來我們更會依靠它來開發更先進的器官晶片。值得一提的是，IXplore Live具備出色的分辨率，配有細胞培養裝置，未來也可以將系統升級為共軛焦成像，這些特色著實可以大大提升我們的研究品質，並有效縮短研究時程。 

應用於癌症與帕金森氏症等疾病

除了用作病毒偵測以外，生物晶片技術還有各種令人興奮的應用。埃特爾博士的實驗室正在研究先進的微流體細胞培養系統，稱為器官（或組織）晶片裝置，可以複製組織和器官複雜的3D結構。這些生物晶片除了可作為生物模型來研究組織結構和功能，還有助於深入探究癌症、自體免疫和神經退化疾病等病症的發生與演變機制。

奧地利維也納工業大學的研究團隊使用Olympus IXplore Live顯微鏡拍攝的圖像：從左到右，圖像顯示（1）以GFP標記並灌注TRITC-葡聚糖的人臍靜脈內皮細胞（HUVEC，20倍放大）（2）以GFP標記的HUVEC（4倍放大）（3）以DAPI標記的F-actin和VE-Cadherin（20倍放大）。

埃特爾博士解釋，IXplore Live顯微系統已成為器官晶片研究的重要工具。高分辨率對於模擬實際人體組織3D架構十分重要，例如，奧地利維也納工業大學團隊使用IXplore Live顯微系統追蹤淋巴或血液界面的表現，此技術也用於帕金森氏症的積體感測晶片開發。針對後者，IXplore Live顯微系統在研究軸突生長和鈣離子成像方面有突出表現，研究團隊期待能導入個人化的人類中腦模型，以促進我們更加理解帕金森氏症的神經發育狀況。 

此外，該研究團隊指出他們選擇IXplore Live的關鍵主因，在於IXplore Live顯微系統能夠結合厭氧細胞培養裝置。他們已使用這套系統來開發幾乎所有的微流體相關實驗。埃特爾博士研究團隊的成員斯比茨（Sarah Spitz）說：「我們主要使用厭氧細胞培養裝置來研究各種材料用於製造微流體裝置的透氧性。透氧性是一種重要參數，因為它會影響細胞生長時的氧氣可用率。因此使用厭氧細胞培養裝置搭配含氧積體感測晶片，我們可以非常輕鬆地取得這些參數，有效推展實驗進程。」 

生物晶片技術的應用潛力

利用生物晶片測試病毒，不僅有機會成為一種快速、可靠的監測疫情工具；投資這套系統，也會更加幫助我們診斷其他疾病。該技術具有獨立電源和便於攜帶的優點，可以在偏遠地區或疫苗存量不足的地區使用，例如巴基斯坦的B型肝炎疫區和非洲的伊波拉病毒疫區。器官晶片技術的未來充滿潛力，有望針對許多疾病開發出更好的治療方法，至於COVID-19檢測，埃特爾教授表示，他們希望在未來幾個月內開發出第一套產品原型。
本文摘錄自：https://www.olympus-lifescience.com/zh/discovery/helping-curb-the-spread-of-covid-19-with-faster-more-sensitive-sars-cov-2-detection/