基于MEMS技术的生物芯片可准确筛选优良精子
2012-12-17 21:14:42   来源：微迷   评论：0   点击：

1978年，体外人工授精技术（简称人工授精）让世界上第一位试管婴儿诞生，这意味着生殖科技迈入新的里程碑，也让人工授精成为不孕症夫妇们辅助生育的首选。

台湾每年有一万多例的人工授精临床案例，其中台北医学大学附属医院每年平均实施1500到2000例手术，求助门诊者通常只关心受孕结果是“有”还是“无”，然而，整个学术生涯都在试图解开生育之谜的台北医学大学教授潘力诚，“沉迷”于如何让人工筛选的过程贴近物竞天择的形态，让试管婴儿的基因能趋近于精卵自然受孕的结果。

潘力诚指出，生殖是一个极为精密且复杂的演化过程，人类精子的直径不到一毫米，男性一次射精释出上亿只精子，能够与卵子结合的通常只有一只，难道这些精子都被浪费掉了吗？事实上经过长久的演化，精子大军各司其职，会依据功能分类，例如在勃起射精时便被激活，目标是与其它雄性精子搏斗的“战队”精子；包围卵子并与输卵管壁结合，等待排卵被二次激活的“阻断”精子；爆发力最强、能够抵达卵子所在的“达阵”精子等。

女性的生理机制也不是被动接受精子，子宫颈与卵巢会以其生物特性，对精子进行严苛的淘汰赛。子宫颈的绒毛组织会阻挡畸形、速度慢的精子，白血球的免疫反应会清除它们，能够存活并抵达输卵管的精子仅千余只，这群十万选一的“菁英”们，接下来会分为A、B军，A军去包围卵子，若这时母体尚未排卵，B军将与输卵管壁结合并等待72小时，当排卵信息一出现，沉睡的B军就会被激活，尾端开始激烈活动脱开输卵管壁，争取与卵子结合的机会。

“人们常说‘天然的最好’，这是因为目前没有任何一项技术，可以精确模拟生物体复杂的生育机制。”潘力诚说。

流速差筛选：MEMS技术涉足生殖科技领域

治疗不孕症的精子体外处理方式有两种，一种是上游法，将精虫放在特殊溶液中静置1到2小时，活动力强的精虫便会向上游动，医护人员便撷取溶液上层的精虫；如果精虫无力往上游，另一种方法是在室温25℃下，用离心机高速离心，让密度低的精虫浮在溶液上、密度高的精虫停在下，撷取试管底部的精虫；第三种方法则是单精注射，抓取一只精虫，注入卵子中。

然而，三种方法都有缺点：由于筛选精子的速度愈快愈好，理想时间为半小时内，但上游法临床作业时间却需要1到2小时，超过理想时间范畴；在离心过程中，有些精子的尾端会被撞断；而且精虫是快速活动的细胞，要靠人工在显微镜下操作，并毫发无伤地抓取一只精虫，就像站在垒包上，要挥棒打击时速超过130公里的快速球一样，具有相当的难度和技术门槛。

同时，气温低于4℃时精子会冻死，4℃到15℃时精子处于休眠状态，而超过40℃时精子便会热死，所以临床操作检体时，必须有精确的温控。值得注意的是，超过37℃时精子会被激活，为了避免精子在“达阵”前就将能量消耗殆尽，或者精子被温差形成的氧化物伤害，潘力诚希望有一个能保持体温、快速操作、不必加入荷尔蒙或药品，并且能够将物理伤害降到最低的装置，准确且有效地分选优质精子，来改善人工授精手术的质量。

台湾工研院生医所工程师庞绍华从MEMS技术切入，终于找到这个问题的最佳解决方法。MEMS技术通常应用于ICT产业，是台湾科技业的强项，庞绍华的“跨界”解决方法，是在芯片狭小的空间里，制造溶液流速差，来模拟人体子宫颈和输卵管的淘汰功能，如此便可以区分精子逆流而上的速度，并结合精子检测、定制化人工生殖技术，让精子光学检测、温度控制平台以及自动化的样本输入，这三项过往独立的流程能一起进行，大幅提升临床操作效率。

这套高性能的精子筛选系统，其中最关键的两项技术是：（1）37℃恒温控制分注系统，（2）精子自动筛选系统。将这两项技术结合在一台稳定的机箱内，可以同时筛选和分析精子图像，并且自动旋转、对焦定位，将活力最旺盛的精子保留。

基于MEMS技术的生物芯片协助人工生殖医学，从“挑一只有潜力的”到“挑出多一点有潜力的”精子，以利于生殖医学中心进行即时、快速且准确的精子分离处理与浓度计算。同时可以减少凭肉眼判断精子活动力的误差，建立自动化的精子筛选方法。

目前台湾尚未有正式上市的生殖临床器材，这套系统可以扮演生殖产业的领头羊，不仅能担任人类精子质量的筛选平台，也能进行畜牧业的精致选种，针对种马、种牛、种猪等进行精子质量控制，提升产业价值。今年八月，台湾工研院与台湾动物科技研究所合作，对猪进行实验以验证技术成果，希望健康存活的猪仔能从10只攀升为11只。

开发新药从研究到上市，平均要15年时间，而医疗器材送检则需要3年，这项技术已经进入前临床测试期，紧接着就是安全性与临床衔接性的验证。全世界一年有150万例人工受孕，中国大陆一间重点医院一年则有6000例，这项优生学的关键技术正往产品端一步步靠近，在可观的市场前景之外，科技不再与生命的奥秘对立，反而与之共舞，舞出灿烂的光芒。