發展光電晶片捕捉與固定微生物技術FY2012~
雷射剝蝕(Laser Ablation)微創手術對於研究線蟲神經元功能、細胞組織缺損影響與神經突觸間的交互作用在過去幾十年以來一直扮演重要的角色。藉由精確定義不同組織、基因對線蟲的影響,使得線蟲成為近年來在神經學、基因學與藥物開發領域理想的生物模型。最新的研究發現利用飛秒雷射(Femto-Second Laser)準確地將線蟲內的單一神經周邊連結破壞後,該神經元可以在數小時內在被破壞的軸突(Axon)上直接再生,然後恢復功能。不同於高等動物許多神經細胞皆重生困難,這種現場軸突融合(Axonal Fusion)的方式似乎更具有效率且成功率高。因此理解啟動軸突融合的機制將有助於再生醫學協助因外傷或疾病造成癱瘓的研究。
傳統上要利用雷射進行微創手術可以選擇用藥物麻醉、冷凍或凝膠暫時限制線蟲的活動。然而這些方法不僅過程繁複,無法針對單一特定目標,還可能改變線蟲的生理反應,因此實行上相對困難。近來透過微流晶片的協助,研究人員已可在不使用上述方法的情況下固定線蟲。於是在微流道內,線蟲可以被重複的施行手術直到完成。另外也可以針對單一特定線蟲實施長時間觀察。然而這種機械式的固定往往造成較高死亡率,降低其實用性。為解決目前線蟲在微創手術的困境,本計畫擬提出結合光電鉗(Optoelectronic Tweezers, OETs)與多細胞活體生物的概念,並研究其可行性。光電鉗為一種動態、非接觸式的光驅介電泳力。藉由光導體所產生的切換作用,我們可以動態產生任意形狀的虛擬電極,因此移動或捕捉介電材料。先前的研究已證明光電鉗可以有效操控數微米以下生物體;而正介電泳則可以無害地捕捉各種尺寸的線蟲。藉由適當的光圖紋設計,我們可以經由影像篩選後固定特定活體線蟲進行雷射手術,其後再觀察手術區域長時間下的變化情況。由於光電鉗對活體線蟲固定並不涉及化學物質交換、劇烈溫度變化或機械接觸,因此除了線蟲的存活率提升外,操控的彈性也較高。本研究的創新點在於:(1)線蟲與光電鉗結合所產生多樣、動態、可程式化的操控;(2)透過設計特殊光圖紋可固定線蟲以供類似雷射剝蝕術與長時間量測的應用。
開發與線蟲相容的光電鉗試驗平台,然後測定各項物理特性,例如溫度與pH值變化、可相容溶液、光圖紋解析度等。第二年則計畫先利用死亡的線蟲蟲體為試驗目標與介電泳模型相互比較,確認操控性。其後再根據實作成果,嘗試捕捉與固定活體線蟲。第三年將藉由已發展的光電鉗試驗平台實際應用到各種線蟲細胞與神經元的雷射切除手術,觀察細胞或神經元再生的復原情形或相對應行為缺陷反應。最終我們希望藉由光電鉗固定線蟲的技術可以達到成功切除1 μm以下的物體(例如神經軸突),並且可以固定活體線蟲連續量測至少1個小時以上的目標。本計畫由成大醫工系莊漢聲博士實驗室團隊負責開發光電鉗與實驗設計。所需線蟲則透過成大生物化學暨分子生物學所陳昌熙博士的南部線蟲核心設施(C. elegans Core Facility, CECF)提供。最後一年將與國立清華大學生命科學院分子與細胞生物研究所王歐力教授的實驗室異地合作,結合其在神經科學的專長與規劃中欲開發的雷射手術平台來研究神經再生機制。預期本研究成果也可轉移到其他諸如細胞或微生物需要動態操控或長時間與大量檢測的應用。
傳統上要利用雷射進行微創手術可以選擇用藥物麻醉、冷凍或凝膠暫時限制線蟲的活動。然而這些方法不僅過程繁複,無法針對單一特定目標,還可能改變線蟲的生理反應,因此實行上相對困難。近來透過微流晶片的協助,研究人員已可在不使用上述方法的情況下固定線蟲。於是在微流道內,線蟲可以被重複的施行手術直到完成。另外也可以針對單一特定線蟲實施長時間觀察。然而這種機械式的固定往往造成較高死亡率,降低其實用性。為解決目前線蟲在微創手術的困境,本計畫擬提出結合光電鉗(Optoelectronic Tweezers, OETs)與多細胞活體生物的概念,並研究其可行性。光電鉗為一種動態、非接觸式的光驅介電泳力。藉由光導體所產生的切換作用,我們可以動態產生任意形狀的虛擬電極,因此移動或捕捉介電材料。先前的研究已證明光電鉗可以有效操控數微米以下生物體;而正介電泳則可以無害地捕捉各種尺寸的線蟲。藉由適當的光圖紋設計,我們可以經由影像篩選後固定特定活體線蟲進行雷射手術,其後再觀察手術區域長時間下的變化情況。由於光電鉗對活體線蟲固定並不涉及化學物質交換、劇烈溫度變化或機械接觸,因此除了線蟲的存活率提升外,操控的彈性也較高。本研究的創新點在於:(1)線蟲與光電鉗結合所產生多樣、動態、可程式化的操控;(2)透過設計特殊光圖紋可固定線蟲以供類似雷射剝蝕術與長時間量測的應用。
開發與線蟲相容的光電鉗試驗平台,然後測定各項物理特性,例如溫度與pH值變化、可相容溶液、光圖紋解析度等。第二年則計畫先利用死亡的線蟲蟲體為試驗目標與介電泳模型相互比較,確認操控性。其後再根據實作成果,嘗試捕捉與固定活體線蟲。第三年將藉由已發展的光電鉗試驗平台實際應用到各種線蟲細胞與神經元的雷射切除手術,觀察細胞或神經元再生的復原情形或相對應行為缺陷反應。最終我們希望藉由光電鉗固定線蟲的技術可以達到成功切除1 μm以下的物體(例如神經軸突),並且可以固定活體線蟲連續量測至少1個小時以上的目標。本計畫由成大醫工系莊漢聲博士實驗室團隊負責開發光電鉗與實驗設計。所需線蟲則透過成大生物化學暨分子生物學所陳昌熙博士的南部線蟲核心設施(C. elegans Core Facility, CECF)提供。最後一年將與國立清華大學生命科學院分子與細胞生物研究所王歐力教授的實驗室異地合作,結合其在神經科學的專長與規劃中欲開發的雷射手術平台來研究神經再生機制。預期本研究成果也可轉移到其他諸如細胞或微生物需要動態操控或長時間與大量檢測的應用。
- Chuang, H.S.*, Chen, H.Y., Chen, C.S., Chiu, W.T., "Immobilization of the nematode Caenorhabditis elegans with addressable light-induced heat knockdown (ALINK)," Lab on a Chip, Vol.13(15), pp.2980-2989, 2013.