奈米分子壩讓低濃度分子聚集起來 快速檢測疾病

如何在癌症發生初期掌握病情、及早介入治療，一直是醫界和科學界努力的目標，只是在各種癌症發生原因還不完全明朗的情況下，想達到這個目標簡直難上加難！

中研院物理研究所研究員周家復帶領研究團隊，在 2013 年研發「奈米分子壩」技術，能利用簡單的晶片快篩，有效快速縮短癌症篩檢的時間、提高篩檢精準度。三年後，這個技術研發更成熟了，周家復說，「我們已經能將技術實際應用在攝護腺癌標誌分子、神經胜肽分子、皮質醇的檢測，如果通過臨床標本試驗，預計最快五到十年可以開始廣泛應用」。

絕緣體外加電場　分離正負電荷分子

奈米分子壩其實是一個相當複雜的技術，要解釋得先從晶片本身的材料「絕緣體」說起。由於絕緣體若外加電場，本身電子因為被原子核束縛得很緊，沒辦法大幅移動，只能在原子附近小幅位移，最後原子本身的正負電荷分離、形成電偶極矩，這個現象被稱為「介電質的極化」，這些電偶極矩也會產生電場，在外加電場越大的情況下，正負電荷分離會越明顯。

介電質極化示意圖。圖／Public Domain, wikipedia.

分子濃度不高　也能快速聚集！

中研院研究團隊利用絕緣體的這個特性，將矽晶或石英玻璃當作材料，製作奈米流通道，其中關鍵的隘口設計只有數十奈米大小。

這有什麼優點？絕緣體有了外加電場、會產生正負電荷分離的特性，讓研究員可以透過外加電場、分離帶有正負電荷的分子；此外，調配液體濃度或種類，也能藉此操控游動其中的帶電微粒，讓不同帶電粒子依照某些特性在游動過程中分離開來。

奈米分子壩原理。圖／科技部記者會簡報

周家復設計的這個快篩晶片系統，主要透過高度聚焦電場，讓奈米流道在交直流電場下、利用分子介電反應產生的負介電泳排斥力，形成分子壩效應，這個效應會讓要檢測的蛋白質分子，快速大量聚集在隘口處。由於過去分子診斷在濃度低的檢測液體中，較難找到目標偵測物、需要耗費的時間也很長，分子壩技術的突破在於，能有效提高偵測物分子的區域濃度，相較傳統方式半小時才能蒐集足夠濃度的偵測物，晶片快篩系統靈敏許多，以攝護腺癌標誌分子 PSA 為例，晶片系統三十秒就能測出 1 pg/mL（每毫升一皮克），濃度是現在的千分之一。區域濃度提高的結果，能讓原先分子診斷技術中，難以偵測的生物標誌物（通常是生物分子，如 DNA 、蛋白質等）檢測成為可能。

醫生制定濃度標準　準確掌握罹癌時機

高濃度聚集要偵測的分子還不夠，接下來必須有生物辨識分子來分辨這些待測物、加上傳導器傳遞偵測完成的結果，整個流程才算成功。依據美國聯邦食品藥物管理局核定的臨床應用癌症標誌分子來看，只要有生物標誌物的癌症，都可以用這個技術檢測，只不過周家復強調，並非偵測到這些分子就表示罹患癌症，檢測到的物質達到什麼程度才算患病，需要由醫師進一步制定，「我們主要希望做出靈敏的快篩技術，讓第一線醫護人員能即時掌握病情、介入治療」。

奈米分子壩原理應用在生醫檢測器的設計。圖／科技部記者會簡報

生物標誌物主要透過找出某些病症與生物標記變化的相關性，藉此協助醫生診斷疾病、進行個體治療。雖然這是個具有相當研究歷史的領域，但在臨床上的應用其實還有許多努力空間。事實上，周家復研發的這項技術，不只能針對癌症偵測生物標記分子，也可以偵測神經胜肽分子，由於神經胜肽分子 NPY、OXA，有潛力作為飛行員身心狀態的檢測指標，未來這個晶片快篩技術，若能發展相關標準搭配檢測，在臨床應用上勢必能成為一大利器。