生物流體灌注(Perifusion) 系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行細(xì)胞分泌分析

Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

挑戰(zhàn)：增進(jìn)細(xì)胞分泌分析的處理能力和可重復(fù)性，這種分析常被用于第一型糖尿病研究中的胰島細(xì)胞的分析。

解決方案：使用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO 硬件，創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)生物流體灌注(Perifusion) 系統(tǒng)。它能實(shí)現(xiàn)全面的環(huán)境控制,刺激不同細(xì)胞類(lèi)型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動(dòng)收集分泌物。

只用了3個(gè)月，我們VI設(shè)計(jì)組的克里斯?佛朗達(dá)（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來(lái)控制一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)化醫(yī)療儀器。

Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）需要設(shè)計(jì)一種設(shè)備用來(lái)隔離胰臟中特定細(xì)胞（胰島細(xì)胞）。隔離過(guò)程非常復(fù)雜，需要超過(guò)20 種不同的裝置，其中5種需高度自動(dòng)化。在目前，這些自動(dòng)化裝置是使用不同的平臺(tái)與可編程語(yǔ)言來(lái)完成的，比如，一種語(yǔ)言用于控制器、另一種用于觸摸屏、第三種語(yǔ)言用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、第四種語(yǔ)言用于步進(jìn)器驅(qū)動(dòng)。隨著公司的發(fā)展，這樣的設(shè)計(jì)方式造成了很多問(wèn)題。由于采用了多種語(yǔ)言環(huán)境，所以需要不同的學(xué)習(xí)曲線,冗長(zhǎng)的程序說(shuō)明文件，而且不同平臺(tái)間需要不同的通訊協(xié)議，非常沒(méi)有效率。

考慮到NI的產(chǎn)品在近年來(lái)有著非常巨大的發(fā)展，能夠滿(mǎn)足我們的功能需求，我們決定采用功能強(qiáng)大的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的自動(dòng)化裝置。這樣，絕大部分的自動(dòng)化裝置都能夠在一個(gè)軟件平臺(tái)上完成，所以工程師只需要學(xué)習(xí)一種語(yǔ)言，并且也能簡(jiǎn)化設(shè)備的工作流程。此外，LabVIEW還提供了先進(jìn)的軟件調(diào)試工具，并使設(shè)備具備了遠(yuǎn)程調(diào)試功能，幫助我們縮短調(diào)試時(shí)間，并避免長(zhǎng)途旅行，換算下來(lái)相當(dāng)于節(jié)省了超過(guò)10,000美金的成本。LabVIEW平臺(tái)的使用，對(duì)我們的效率和開(kāi)發(fā)能力造成了很大的影響。

只用了3個(gè)月，我們VI設(shè)計(jì)組的克里斯?弗朗達(dá)（Chris Fronda）就能使用 LabVIEW和CompactRIO 來(lái)控制一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)化醫(yī)療儀器，其中包括多軸運(yùn)動(dòng)控制 (步進(jìn)電機(jī))、精準(zhǔn)的培養(yǎng)箱溫度控制和復(fù)雜的液體處理功能(電子閥數(shù)組控制)。VI設(shè)計(jì)組使用LabVIEW Real-Time模塊與LabVIEW FPGA模塊開(kāi)發(fā)了軟件架構(gòu)。公司還使用LabVIEW NI SoftMotion模塊(圖1)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的仿真，在虛擬原型上模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這使我們?cè)诨ㄙM(fèi)成本制造實(shí)體原型之前，就先將設(shè)計(jì)進(jìn)行可視化和最優(yōu)化，并幫助我們?cè)u(píng)估不同的設(shè)計(jì)理念。依靠LabVIEW 和 CompactRIO，VI設(shè)計(jì)組將開(kāi)發(fā)時(shí)間從預(yù)計(jì)的12個(gè)月縮短至3個(gè)月，并且不用開(kāi)發(fā)定制的控制軟件與驅(qū)動(dòng)程序。

圖 1. SolidWorks下的 XY 機(jī)械結(jié)構(gòu)

起初，我們開(kāi)發(fā)Biorep生物流體灌注系統(tǒng)（圖2）是為了測(cè)試試管內(nèi)胰島能力的。之后，系統(tǒng)功能得以不斷擴(kuò)充，還可以可測(cè)定來(lái)自胰腺源祖干細(xì)胞 ( pancreatic progenitor stem cells) 的分化細(xì)胞的分泌物。

圖 2. Biorep生物流體灌注系統(tǒng)

在研究細(xì)胞對(duì)刺激物的反應(yīng)時(shí)(例如在糖尿病研究中細(xì)胞對(duì)藥物或葡萄糖的反應(yīng))，灌注對(duì)批次培養(yǎng)（batch incubation）有非常大的好處。在生物流體灌注系統(tǒng)中，會(huì)有刺激物不斷注入，研究中的細(xì)胞或細(xì)胞群所分泌的代謝物沖走。而在過(guò)去的批次培養(yǎng)中，這些代謝物會(huì)累積從而影響研究結(jié)果。

也有一些其它更先進(jìn)的方法，例如動(dòng)態(tài)量測(cè)，但它們并不實(shí)用，所以實(shí)驗(yàn)室仍然使用批次培養(yǎng)的方法。Biorep技術(shù)股份有限公司（Biorep Technologies Inc.）與邁阿密大學(xué)糖尿病研究機(jī)構(gòu)（Diabetes Research Institute at the University of Miami）開(kāi)發(fā)的自動(dòng)的生物流體灌注系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程。它能實(shí)現(xiàn)全面的環(huán)境控制,刺激不同細(xì)胞類(lèi)型,并在符合可編程協(xié)議的情況下能夠自動(dòng)收集分泌物（圖3及圖4）。經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們的生物流體灌注系統(tǒng)被證明是非常有價(jià)值的，可以在器官移植前，在試管內(nèi)測(cè)試人類(lèi)胰島的生存能力。

圖 3. 協(xié)議監(jiān)測(cè)界面

圖 4. 容器定位界面

目前，已有數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)室定期采用該系統(tǒng)來(lái)研究胰島細(xì)胞的激素分泌。然而，Biorep 生物流體灌注系統(tǒng)并不僅限于用在胰島分泌的研究。它還可用來(lái)測(cè)定其他類(lèi)型細(xì)胞的分泌，包括諸如干細(xì)胞這類(lèi)的單細(xì)胞。此外，它更成為了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)藥物研發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。