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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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微機電技術生物晶片 準確分選優良精子

陶曉嫚

當生物科技進入新一個新紀元,數百年來一直形塑生育行為的生物學因子,也發生激烈的變化。

面對不孕症、生理失調等問題,原本應用在半導體領域的微機電技術,現在也能被應用在生殖醫學上。工研院與台北醫學大學合作研發的微流體生物晶片,試圖模擬物競天擇,準確分選優良精子,讓科技與生命的奧秘共舞。


1978年,體外人工授精(IVF)技術讓世界上第一位試管嬰兒誕生,這意味著生殖科技邁入新的里程碑,也讓IVF成為不孕症夫婦們輔助生育的首選。

台灣每年有一萬多例的IVF臨床案例,其中台北醫學大學附設醫院平均執行1,500到2,000例,求助門診者通常只關心受孕結果是「有」還是「無」,然而,整個學術生涯都在試圖解開生育之謎的台北醫學大學教授潘力誠,醉心的則是如何讓人工撿選的過程,能夠貼近物競天擇的型態,讓試管嬰兒的基因能趨近於精卵自然受孕的結果。

潘力誠指出,生殖是一個極為精密且複雜的演化行為,人類精子的直徑不到一毫米,男性一次射精釋出上億隻精蟲,能夠與卵子結合的通常只有一隻,難道這些精子都被浪費掉了嗎?事實上經過長久的演化,精蟲大軍各司其職,會依據功能分類,例如在勃起射精時便被激活,目標是與其他雄性精子搏鬥的「戰隊」精蟲;包圍卵子並與輸卵管璧結合,等待排卵被二次激活的「阻斷」精蟲;爆發力最強、能夠抵達卵子所在的「達陣」精蟲等。

女性的生理機制也不是被動接受精子,子宮頸與卵巢會以其生物特性,對精子進行嚴苛的淘汰賽。子宮頸的絨毛組織會阻擋畸形、速度慢的精子,白血球的免疫反應會清除它們,能夠存活並抵達輸卵管的精蟲僅千餘隻,這群十萬選一的「菁英」們,接下來會分為A、B軍,A軍去包圍卵子,若這時母體尚未排卵,B軍將與輸卵管壁結合並等待72小時,當排卵訊息一出現,沉睡的B軍就會被激活,尾端開始激烈活動脫開輸卵管壁,爭取與卵子結合的機會。

「人們常說『天然的尚好』,這是因為目前沒有任何一項技術,可以精準模擬生物體複雜的生育機制。」潘力誠說。

流速差分選 微機電技術跨界生殖科技領域

治療不孕症的精子體外處理方式有兩種,一種是上游法,將精蟲放在特殊溶液中靜置1到2小時,活動力強的精蟲便會向上游動,醫護人員便擷取溶液上層的精蟲;如果精蟲無力往上游,另一種方法是在室溫25℃下,用離心機高速離心,讓密度低的精蟲浮在溶液上、密度高的精蟲停在下,擷取試管底部的精蟲;第三種方法則是單精注射,抓取一隻精蟲,注入卵子中。

然而,三種方法都有缺點,由於分選精子的速度愈快愈好,理想時間為半小時內,但上游法臨床作業時間卻需要1到2小時,超過理想時間範疇;在離心過程中,有些精蟲的尾端會被撞斷;而且精蟲是快速活動的細胞,要靠人工在顯微鏡下操作,並毫髮無傷地抓取一隻精蟲,就像站在壘包上,要揮棒打擊時速超過130公里的快速球一樣,具有相當的難度和技術門檻。

同時,氣溫低於4℃時精蟲會凍死,4℃到15℃時精蟲處於休眠狀態,而超過40℃時精蟲便會熱死,所以臨床操作檢體時,必須有精準的溫控。值得注意的是,超過37℃時精蟲會被激活,為了避免精蟲在達陣前就將能量消耗殆盡,或者精蟲被溫差形成的氧化物傷害,潘力誠希望有一個能保持檢體溫度、快速作業、不必加入荷爾蒙或藥品,並且能夠將物理傷害降到最低的裝置,準確且有效地分選優質精子,來改善IVF手術的品質。

工研院生醫所工程師龐紹華從微機電製程技術領域切入,終於找到這個問題的最佳化解。

微機電技術通常應用於ICT產業,是台灣科技業的強項,龐紹華的「跨界」解方,是在晶片在狹小的空間裡,製造溶液流速差,來模擬人體子宮頸、輸卵管的淘汰功能,如此便可以區分精蟲逆流而上的速度,並結合精子檢測、客製化人工生殖技術,讓精子光學檢測、溫度控制平台以及自動化的樣本輸入,這三項過往獨立的流程能一條鞭進行,大幅提升臨床操作效率。

這套高效能的整合性精子分選系統,其中最關鍵的兩項技術,是37℃恆溫控制分注系統,以及精子檢體自動分選系統。將這兩項技術結合在一台穩定的機具內,可以同時分選、分析精子影像,並且自動旋轉、對焦定位,將活力最旺盛的精蟲保留。

微流體生物晶片協助人工生殖醫學,從「挑一隻有潛力的」到「挑出多一點有潛力的」精蟲,以利生殖醫學中心進行即時、快速且準確的精子分離處理與濃度計數。同時可以減少肉眼判斷精子活動力的誤差,建立自動化的精子篩選步驟。

目前台灣尚未有正式上市的生殖臨床器材,這套系統可以扮演生殖產業的領頭羊,不僅能擔任人類精子品質的篩選平台,也能進行畜牧業的精緻選種,針對種馬、種牛、種豬等進行精子品質控制,提升產業價值。今年八月,工研院也與財團法人台灣動物科技研究所合作,在豬隻實驗上驗證技術成果,希望健康存活的豬仔能從10隻攀升為11隻。

開發新藥從研究到上市,平均要15年時間,在醫療器材送檢則需要3年,這項技術已經進入前臨床測試期,緊接著就是安全性與臨床銜接性的驗證。全世界一年有150萬例人工受孕,大陸一間重點醫院一年則有6,000例,這項優生學的關鍵技術正往產品端一步步靠近,在可觀的市場前景之外,科技不再與生命的奧秘對立,反而與之共舞,於相互學習、印證間,畫出燦爛交鋒的光芒。

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