國家衛生研究院電子報

國家衛生研究院電子報第 724期 2017-12-22

院務紀事
本院生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢副研究員榮獲第14屆「國家新創獎」
Dr. Chia-Hsien Hsu receives the 14th National Innovation Award

本院生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢副研究員團隊研發之「微流體懸吊液珠三維細胞球體培養裝置（Microfluidic hanging drop cell spheroid culture device）」，為微流體晶片裝置的發明，該裝置利用當中的微流道搭配簡易的手動操作步驟，可在一次的操作過程產生大量的懸吊液珠，達到高通量（256 wells）液珠生成以進行三維細胞球體培養。此技術用於細胞培養研究，可大量減少實驗試劑用量和降低實驗者的操作時間。此技術獲2017年「第14屆國家新創獎—學研新創獎」之肯定，更展現本院在奈米醫學工程研究領域深耕多年所的實力與研發量能。

獲獎之「微流體懸吊液珠三維細胞球體培養裝置」是一項低成本、高通量之懸掛液珠細胞球體方法，有關其技術優勢、商品化價值、潛在市場及智財策略布局等4項特性，分別說明如下：

1. 技術優勢
   傳統懸吊液珠細胞培養方式，每一顆液珠是個別以手動方式操作的，所以難以高通量培養細胞球體。此外，因為其懸吊液珠內的液體難以進行置換，大約培養2 - 3天後即需要將液珠內的細胞取出並置入其他的培養裝置，才能進行後續的細胞培養實驗（圖1）；這二點是目前懸掛液珠細胞培養最大的瓶頸。近幾年，國外有廠商研發出新的懸吊式培養盤（品牌為3D Biomatrix和Insphero），已於國內販售。這些懸吊式培養盤可以搭配機器手臂的操作以自動化方式在一個懸吊式培養盤產生384顆液珠。然而大多數實驗室無法負擔購置機器手臂和與其搭配特殊性耗材的高昂成本，所以一般實驗室難以採用這些新系統。
   
   為提供一項高通量、低成本的懸吊液珠細胞培養方式，許副研究員與其研究團隊研發出一個特殊微流體晶片裝置。該創新裝置可以透過微流道以及微流道表面的孔洞產生與操作懸吊液珠。以僅需要一次的操作過程（約五至十分鐘）即可產生大量的懸吊液珠，藉以達成高通量液珠生成與細胞培養的效果（圖2）。此外，此微流體懸吊液珠晶片只須要搭配一般實驗室既有之手動吸取器（pipette）即可操作，因而省去了購置機器手臂之成本。此創新發明是目前已知方法當中，唯一不須要搭配昂貴自動化系統就能達到高通量懸掛液珠操作的技術。
   
   圖1：傳統懸吊液珠技術
   
   
   圖2：微流體晶片懸吊液珠三維細胞培養示意圖
   
   除高通量的特點之外，其晶片裝置也具有易於進行細胞觀察與可節省試劑和培養液等優勢。因此更擴大其與現有市售產品之差異性。該晶片裝置目前已完成幹細胞（圖3）與癌細胞的三維細胞球體培養實驗（圖4）量產化之可行性之驗證。
   
   
   圖3：小鼠纖維母細胞貼附於二維培養環境之型態（左）；小鼠胚胎幹細胞於懸吊液珠生長形成三維球狀體形態（右）（比例尺 = 200 um）
   
   
   圖4：人類乳癌MCF-7細胞於懸掛液珠晶片上之培養結果。晶片可以高通量形成256個大小均勻的三維乳癌細胞腫瘤球（螢光染色顯示細胞全部存活）（左）；局部放大圖（右）（比例尺 = 200 um）
   
   
2. 商品化價值
   據美國Grand View Research市場調查報告指出，三維細胞培養相關產品在全球的商機將在2024年達到1.69億美元的規模。需要支架（scaffold-based）的三維細胞培養技術在其中占有約四十%的商機，此裝置適用的三維細胞球體培養技術，在不需支架的三維細胞培養技術其相關市值會有快速的成長，並且占有很大的比例。不需支架的三維細胞球體培養方式可以產生模仿體內組織的體外系模型，在癌症以及幹細胞研究有很多應用價值；除了基礎研究以外，亦可應用在藥物開發所需的標靶確認（target validation）、先導化合物優化（lead optimization）、穿透研究（penetration study）及毒性測試（toxicity screening）。目前，市面上所使用的傳統懸吊液珠細胞培養方式，因為需要很多重複性的人工操作，所以難以高通量培養細胞球體。在最近幾年剛進入市場的新型細胞培養孔盤裝置 （品牌：3D Biomatrix、Insphero），雖然能夠讓液珠的液體交換變得可行，然而孔盤當中的懸吊液珠仍然需要個別操作；因此，在沒有搭配自動化機器手臂，要操作大量的液珠仍然相當耗時。比較培養液與試劑使用量，InSphero以及3D Biomatrix的裝置，其培養液使用的體積皆為「微流體懸吊液珠晶片」的8倍，再加上InSphero的單價為142.2美元、3D Biomatrix為206美元，因此，此二項產品在市場上仍未被廣泛接受。所以，本項創新發明「微流體懸吊液珠晶片」透過減少試劑和培養液的用量，以及置換培養液容易的優點，降低實驗成本，在市場上將更具有競爭力。且將會是市場上唯一一項低成本、高通量之懸掛液珠細胞球體方法。
   
   
3. 市場分析
   此項微流體晶片裝置具有下列2項應用市場潛力：
   1. 幹細胞與再生醫學細胞實驗應用：
      現階段國內各研究機構對於細胞治療相關研究以體外實驗及動物試驗階段為主，因此此培養平台具符合國內幹細胞研究的需求。由於目前國內培養幹細胞的器皿依舊採用二維式培養皿或傳統懸掛液珠方式，此培養平台應可成為相關研究之有利工具。此外，根據2014年財團法人生物技術開發中心（DCB）資產組產業技術知識服務計畫（ITIS）的再生醫療產業報告，台灣幹細胞治療產品以幹細胞儲存業務為主，2013年年產值約十一億台幣。與市面上的穿透式孔盤與培養皿技術相比，此微流裝置技術可以減少約十倍的試劑用量，並且大幅降低實驗者的操作時間，突顯出其與同類產品比較之競爭優勢。
      
      
   2. 癌症與抗癌藥物研究應用：
      利用體外培養的細胞測試藥物效能與毒性，是發展抗癌藥物不可缺少的步驟。比起傳統的二維細胞培養，使用三維細胞球體進行藥物測試，能更準確預測藥物在體內的效果；原因在於三維細胞球體可以模仿動物體內腫瘤的細胞異質性與藥物傳輸特性。由於全世界進行癌症與抗癌藥物研究的實驗室很多，此裝置可提升三維細胞球體生成效率並且降低實驗成本，其所衍生之產品在這方面會有很大的市場潛力。
   
   綜上所述，本「微流體懸吊液珠晶片」若能推廣到國外，將有極大之潛在市場應用價值及收益。
   
   
4. 智財策略布局
   此項平台技術在目前市面上並無相仿之技術，且已獲得美國及台灣專利核可，於將來可經本院授權實施此項專利技術，在不須取得他人授權且不易侵犯他人專利的情況下，進行產品開發及販售。研發團隊亦持續進行本裝置相關技術發展以及專利申請，以提供更臻完善的專利保護壁壘。

《文/圖：生醫工程與奈米醫學研究所許佳賢副研究員、熊鎮緯》