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微流道在生殖醫學上之應用

台大泌尿部
天成醫院泌尿科
 蔡芳生醫師

前言：
　　台灣地區這幾年的出生率屢創新低，臨床上可見到的不孕率約為15%左右（Hum Reprod Update (2011) 17:575），也就是說每5-6對的夫婦就有一對面臨不孕的問題。如何幫助這些有意願要生卻無法自然生育的夫婦就成了這幾年人工生殖最重要的目標。台大泌尿部生殖泌尿科在謝汝敦教授及張宏江醫師領導下，多年來致力於家用精子檢測與臨床精子分級篩選的技術研究，已有初步的成果。基於這些技術都是建立在微流道工程技術平台上，故特在此期會刊上介紹微流道工程技術在生殖醫學上的應用。

歷史沿革：
　　在pubmed上可找到的最早的一篇有關微流道的文章是2002年（Theriogenology. (2002) 57:125），故微流道技術是一種相對新穎的領域。經過十幾年的發展，微流道技術應用在生殖醫學上的各個層面，包括：精子檢測（含法醫學上的性侵害檢測），精子篩選，卵子與精子受孕平台（IVF-on-a-chip），生殖細胞的處理（germ cell manipulation），受精過程/環境的研究…等領域。世界上有幾個相當活躍的研究團體：美國密西根大學的GD Smith教授，荷蘭Twente 大學Van den Berg教授，北京清華大學…等，這些國際的研究團體陸續地發表了許多的研究成果，他們共同的特徴都是臨床與工程領域的人，緊密結合、相互合作。台大泌尿部基於與台大工學院（應力所胡文聰教授）合作平台也在這幾年裡成功得設計出自己的微流道精子檢測及精子篩選的原型機。當然目前仍有一些技術與客觀環境上的困難要去克服。

<精子檢測>
　　早期一般細胞在微流道上的檢測是利用螢光染色（Fluorescence）來辨識細胞（J Urol. (2006) 175:2223）。但要應用在家用檢測上，則利用愈少的染色愈好，Van den Berg教授（Lab Chip. (2010) 10:1018）與我們的台大團隊（Microfluid Nanofluid (2011) 10:59）幾乎同時發表了利用電阻抗（electrical impedance）來檢測精子的微流道平台，兩者的差別在： (1)我們的平台作利用精子逆游的特性來偵測游動力好的精子數；(2)Van den Berg等則利用通過偵測點的細胞大小來分辨精子、白血球以及其他雜質，並且用以計數（counting）。Pacey 教授（Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol. (2012) Jun 11. [Epub ahead of print]）提到精子檢測（semen analysis）從1950年代至今無重大的變革，惟新的檢測法（無論利用何種技術）均需經過嚴謹的randomized-control trials驗証後才能成為臨床上可用之精子檢測方法。

<法醫學應用>
　　早在2005年時Horsman（Anal Chem. (2005) 77:742）就曾提出利用微流道技術來分離性侵害時被害人的上皮細胞與加害人的精子細胞，此法比傳統實驗室法要節省時間與人工。2006年Bienvenue團隊（J Forensic Sci. (2006) 51:266）甚至將cell lysis與傳統的DNA extraction也利用微流道技術來完成，真正實現將人員與大型實驗室器材的功能做到一個晶片上（Lab-on-a-chip）。

<精子篩選>
　　最先利用微流道技術在精子篩選上的是美國密西根大學的GD Smith教授團隊，他們最先利用靜水壓（hydrostatic pressure）製作 無需外力幫浦（external pump）的精子篩選晶片（Anal Chem. (2003) 75:1671; Reprod Biomed Online. (2003) 7:75）。主要是利用游動的精子可穿越Lamina flow而到達預定的收集區，如此可和不游動的精子（可能是死精子）及其他雜質加以區別，而篩選到品質較佳的精子。以後的幾年又陸續有其他團隊也陸續做出不同設計的精子篩選晶片，台大團隊是在2010年開發出精子篩選精片，可有效的將精子的活動率有效提升至80%以上，並於2011年登上探索頻道節目（Discovery Channel）。日後更有多個團隊相繼發表以微流通精子篩選晶片進行篩選優質精子的成果：(1)中國廈門團隊（Zhonghua Nan Ke Xue. (2012) 18:751）發現微流道精子篩選優於傳統的swim-up法，尤其在篩選出的精子品質與DNA integrity上； (2)韓國漢陽大學（Anal Sci. (2012) 28:27）報告一個平台可在微流道上建立一個chemotaxis系統來模擬女性生殖系統中吸引精子的現象； (3)美國哈佛大學（Lab Chip. (2011) 11:2535）則利用一個Lensless CCD結合微流道的系統來達到同時精子檢測與篩選的功能；(4)UC San Diego（Methods Cell Biol. (2007) 82:601）則利用Laser trapping的方式進行精子的測試與篩選，此成果曾由UCSF呂福泰教授來臺演講介紹過。

<IVF-on-a-chip> 微流道人工生殖晶片
　　 Clark教授團隊於2005年提出微流道人工生殖技術可降低豬人工受孕時多精子受
孕的現象（Lab Chip. (2005) 5:1229），同時亦可以微流道模擬輸卵管的受孕微環。
Smith教授團隊則在2006年提出利用微流道人工受孕可使用較少的精子數就可
以達成受孕（Hum Reprod. (2006) 21:477）。在2010年時，中國大陸的清華團隊
陸續發表了利用微流道平台（模擬女性生殖道）來測量精子的活動度（motility）
與化學趨向（chemotaxis）的目標（Clin Chem. (2010) 56:1270），更進一步在同
年完成卵子定位、精子篩選、人工受精與早期胚胎發育都能在一個微流道晶片成
的壯舉（Lab Chip. (2010) 10:2848）。

　　 將所有IVF的步驟與過程都整合在一組微流道晶片上將是整個人工生殖界的終極目標。Meseguer （Fertil Steril. 2012 97:1277）曾指出robotic IVF是未來的趨勢，它能達成精確的測量精子品質及較客觀的篩選精子，加上卵子的定位以利人工受精的完成，再加上後續的胚胎培養。而整個功能的達成，主要是依靠在微流道平台上做細胞樣本的準備，試劑的處理與數據及時的偵測與分析，而這也是我們可以努力的目標與方向。


典型的微流道晶片 (http://www.sinobiotek.com/product.html)
　
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