奈米魔鬼氈──親愛的，這次產檢抽點血就好！

隨著產婦高齡化及少子化趨盛，程序化產前檢查愈加普及，除了以影像分析預防產婦併發症狀及畸形胎兒，為了進一步檢驗胎兒先天性遺傳疾病，各種早期偵測競相發展，可謂最具挑戰性的尖端醫療技術。

過去數十年來，羊膜穿刺及絨毛膜穿刺已成為獲取胎兒遺傳資訊的傳統途徑，透過細胞核型分析（karyotyping）及各種分子生物檢測，足以確診胎兒的各種性狀與疾病；然而，侵入式檢測伴隨著流產與感染的風險（0.6-2%）。因此，自1980年起，非侵入式篩檢遂始於偵測與三體態異常（trisomy）有正相關的血清蛋白抽驗（包括 α-fetoprotein, PAPP-A, β-hCG 等）；隨後於 1997 年，發現於母體循環系統內的胎兒 DNA（cell-free fetal DNA, cffDNA）逐漸受到矚目，基於 cffDNA 高敏感度與準確度的特性，很快地在 2011 年美國終於核可以 cffDNA 為基礎的臨床應用，列為非侵入性產前檢測（non-invasive prenatal test, NIPT），主要用來篩檢三種染色體異常疾病（trisomy 13, 18, 21），並持續拓展其可供檢驗的項目（圖一）。

圖一、NIPT發展沿革（圖片來源: https://goo.gl/wX7HwY）

然而，cffDNA 的低含量（片段長度< 300bp）與混合母體 DNA 所導致的高度噪訊，即便各團隊紛紛以深度測序（deep-sequencing）、單分子 PCR（single-molecule PCR）與生物資訊分析加以克服，各項檢驗仍無法避免因嵌合體（mosaicism）與多胞胎（twins）而造成的誤判，因此 NIPT 所檢測所得的結果，仍需退一步以傳統穿刺印證方能確診 [1,2]。另一方面，雖然早在1893年就已在母體血液中發現胎兒細胞，但其相比母體血球的極低含量，使得通過傳統的細胞分離技術（如：梯度離心、MACS、FACS…等），均難以獲得足量細胞、亦尚未達到臨床效益 [3]。

來自台灣，目前任教於美國洛杉磯加州大學（UCLA）分子藥理（Department of Molecular and Medical Pharmacology）的曾憲榮教授，與國泰醫院陳俐瑾醫師、蔡明松主任合作之研究團隊，結合先前開發之「奈米魔鬼氈晶片（NanoVelcro Chips，圖二）」，一舉突破上述之各項困境，並建立完整的分析流程，本文章發表於今年七月的《ACS Nano》期刊 [4,5]。這項技術利用聚乳酸-甘醇酸（poly lactide-co-glycolide, PLGA）為材質，印製微流道（microfluidics）晶片，以其利於捕捉細胞之奈米結構與微渦流，透過修飾抗體捕捉血樣中極少量的目標細胞，成功於極少量母體血液中（圖三），精準捕捉到足量且完整的循環滋胚層細胞（circulating trophoblasts, cTBs），輔以抗體共軛螢光標定 cTBs 以及非特異結合之母體白血球後，應用顯微雷射細胞擷取技術（laser capture microdissection, LCM）精準逐一分離單細胞之 cTBs，可供應下游各種遺傳分析（圖三）。實驗結果平均得以自 2mL 的血液檢體中，排除大量母體細胞（2×10⁹ cells/mL），分離出 3-15 顆 cTBs（符合理論值<6 cTBs/mL），其效率遠超乎過去之傳統細胞分類技術。cTBs 帶有完整的胎兒遺傳資訊，除了用以檢查染色體套數為基礎的非整倍體異常（aneuploidy），本團隊分離之 cTBs 亦投入比較微陣列基因組雜交（array-based comparative genomic hybridization, aCGH）及 DNA 短縱列重複序列分析（short tandem repeat, STR），確認胎兒性別及染色體片段缺失疾病。簡言之，NanoVelcro Chips 大幅提高篩檢的敏感度、準確度以及胎兒資訊的完整度，極有望於未來成為理想、且具確診效力的非侵入式產前診斷（non-invasive prenatal diagnosis, NIPD）。

圖二、奈米魔鬼氈晶片（NanoVelcro Chips）                  （圖片來源：https://goo.gl/iBSMDk）

圖三、三步驟捕捉cTBs及下游分析流程 （圖片來源：https://goo.gl/G5G3vc）

除了在產前檢查以外，NanoVelcro Chips 的概念更已廣泛應用於癌症篩檢與病程診斷，也因應不同目的，開發出不同材質的三世代晶片 [6]，準確量化、捕捉、純化病患血液檢體中之微量循環腫瘤細胞（circulating tumor cells, CTCs）[7]，並獲邀參與了重大的美國抗癌登月計畫（Cancer Moonshot）[8]，實為莫大殊榮。有待一系列相關的臨床試驗後，NavnoVelcro Chips 為產婦與癌症病友所帶來的福祉將指日可待。

參考資料：

1. Tamminga, S., Van Maarle, M., Henneman, L., Oudejans, C. B., Cornel, M. C., & Sistermans, E. A. (2016). Maternal Plasma DNA and RNA Sequencing for Prenatal Testing. Advances in Clinical Chemistry, 63-102. doi:10.1016/bs.acc.2015.12.004
2. Liu, L., Li, K., Fu, X., Chung, C., & Zhang, K. (2016). A Forward Look At Noninvasive Prenatal Testing. Trends in Molecular Medicine, 22(11), 958-968. doi:10.1016/j.molmed.2016.09.008
3. Beaudet, A. L. (2016). Using fetal cells for prenatal diagnosis: History and recent progress. American Journal of Medical Genetics Part C: Seminars in Medical Genetics, 172(2), 123-127. doi:10.1002/ajmg.c.31487 
4. Hou, S., Chen, J., Song, M., Zhu, Y., Jan, Y. J., Chen, S. H., … Tseng, H. (2017). Imprinted NanoVelcro Microchips for Isolation and Characterization of Circulating Fetal Trophoblasts: Toward Noninvasive Prenatal Diagnostics. ACS Nano, 11(8), 8167-8177. doi:10.1021/acsnano.7b03073
5. 奈米魔鬼氈捕捉母血中胎兒細胞，非侵入式產前診斷大躍進｜GeneOnline News. (2018, 30). Retrieved from https://geneonline.news/index.php/2017/07/20/dr-hsian-rong-tseng-nanovelcro-chip-cathay-general-hospital
6. Chen, J., Zhu, Y., Lu, Y., Hodara, E., Hou, S., Agopian, V. G., … Tseng, H. (2016). Clinical Applications of NanoVelcro Rare-Cell Assays for Detection and Characterization of Circulating Tumor Cells. Theranostics, 6(9), 1425-1439. doi:10.7150/thno.15359
7. 學術結合科技 台灣教授創造醫學奇蹟[Video file]. (2016, September 23). Retrieved from https://youtu.be/eNBKrZorm4s
8. 曾憲榮教授血液檢測新技術 獲邀美國抗癌登月計畫｜GeneOnline News. (2018, 30). Retrieved from https://geneonline.news/index.php/2017/03/14/nanovelcro-hsian-rong-tseng/

撰文｜陳尚甫
修訂｜楊仁龍