Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato un sistema lab-on-a-chip in grado di identificare gli aspetti sanitari del sistema immunitario di una persona da una goccia di sangue, entro pochi minuti.

Utilizzando una combinazione di microfluidica, minuscoli canali microscopici in grado di isolare i globuli bianchi dal sangue, e sensori elettrici, il nuovo chip è stato in grado di rilevare le differenze nelle proprietà elettriche dei globuli bianchi prelevati da pazienti sani e diabetici.

Il dispositivo di prova del concetto potrebbe un giorno aiutare i medici a ottenere rapidamente informazioni sul sistema immunitario di una persona, e individuare i primi segni di infiammazione e infezione che potrebbero segnalare la necessità di ulteriori test approfonditi.

Progettato e costruito dall'assistente professore Hou Han Wei e dall'assistente professore Holden Li della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale, la loro invenzione, in caso di successo in ulteriori valutazioni di laboratorio e cliniche, potrebbe essere trasformato in un dispositivo portatile adatto a cliniche familiari e policlinici.

Un prototipo di dispositivo e i principi di ingegneria alla base sono stati riportati in due riviste peer-reviewed:Lab on a Chip all'inizio di quest'anno e Biosensori e Bioelettronica nell'ottobre dello scorso anno.

Poiché la salute immunitaria è spesso implicata nelle malattie cardiovascolari, gli scienziati affermano che il loro dispositivo può potenzialmente essere uno strumento di screening aggiuntivo che i medici possono utilizzare per la diagnosi precoce delle malattie cardiache. A Singapore, le malattie cardiovascolari hanno rappresentato il 30,1 per cento di tutti i decessi nel 2017, mentre il diabete è un grave problema di salute che colpisce circa il 10 per cento della popolazione mondiale.

Come funziona l'invenzione

Asst Prof Hou, che è anche membro di facoltà presso la Lee Kong Chian School of Medicineat NTU, ha detto che il loro chip rileva le differenze elettriche tra un globulo bianco sano e uno malsano. I globuli bianchi anormali sono stati segnalati come un biomarcatore precoce per un aumento del rischio di malattie cardiovascolari e suggeriscono anche un'infiammazione in corso.

Utilizzando canali molto piccoli, il chip prima separa fisicamente le varie cellule del sangue per dimensione nelle diverse uscite, come una macchina selezionatrice di monete. I globuli bianchi isolati vengono quindi fatti passare attraverso un canale speciale dove viene misurata l'impedenza elettrica per ogni cellula ad una velocità molto elevata (centinaia di cellule al secondo).

L'impedenza elettrica di una cellula anormale è solitamente superiore all'impedenza di una cellula sana, dato come cellula anormale è di dimensioni maggiori e ha proprietà di membrana diverse.

I globuli bianchi costituiscono una parte significativa del sistema immunitario del corpo e un tipo chiave noto come neutrofili, sono la prima linea di difesa in caso di infezione o infiammazione.

"I nostri chip possono isolare migliaia di globuli bianchi da una singola goccia di sangue e, entro pochi minuti, dire se queste cellule sono elettricamente diverse dal normale, che sarebbe un indicatore della presenza di un problema di salute da approfondire, "Asst Prof Hou ha detto.

"Ma ancora più importante, il nostro processo inoltre non utilizza biomarcatori chimici o anticorpi, che rende il test economico, facile da usare, e che possiamo fare ulteriori analisi sugli stessi globuli bianchi che abbiamo già analizzato nel chip".

Possibile utilizzo nei test clinici

Asst Prof Holden Li afferma che il materiale utilizzato per realizzare il nuovo lab-on-a-chip è un comune polimero di grado medico ed è facilmente fabbricabile utilizzando macchinari esistenti, e può essere trasformato in una macchina di dimensioni desktop per l'uso nelle cliniche.

"Il nostro chip è stato progettato per essere facilmente ampliato dalle aziende, con un sistema integrato costruito con componenti elettronici disponibili sul mercato. Andando avanti, stiamo cercando di commercializzare la tecnologia con un partner industriale, come vediamo che ci sono richieste di mercato - per un dispositivo point-of-care per medici e come apparecchiature di laboratorio per lo studio dei neutrofili e lo screening dei farmaci, "Ha detto il prof Li.

Gli scienziati hanno aggiunto che stanno anche facendo ulteriori ricerche sui vari livelli di impedenza elettrica e sul significato di ciascuno di essi, in modo da costruire una sorta di libreria di riferimento per l'analisi automatizzata, e collaborerà con i medici per testare il loro prototipo in ambito clinico.

Dare un parere indipendente sulla ricerca, Professor Bernhard Boehm, Ong Tiong Tat Chair Professore di ricerca sul diabete presso la Lee Kong Chian School of Medicine della NTU, ha detto che molti pazienti diabetici sono anche suscettibili alle infezioni croniche dovute a malattie che influenzano le prestazioni del sistema immunitario.

"Esistono una serie di limitazioni all'utilizzo di marcatori diagnostici convenzionali per i pazienti con sospetto clinico di infezione. In particolare, è necessario migliorare la diagnosi precoce delle infezioni batteriche e fornire una guida per la terapia antibiotica".

"Perciò, un sistema di test in grado di guidare rapidamente le decisioni sull'inizio di terapie specifiche sarebbe di grande aiuto in un contesto clinico. Però, ciò richiederà nel prossimo futuro studi clinici controllati randomizzati per fornire una prova formale che il nuovo sistema di test è superiore alle procedure diagnostiche convenzionali attualmente utilizzate, " ha aggiunto il prof Boehm, che non faceva parte di questo studio.

Strumento nello studio dei meccanismi di difesa immunitaria

Il nuovo dispositivo potrebbe essere molto utile anche per lo studio della NETosis, un meccanismo di difesa recentemente scoperto nel campo dell'immunologia.

Durante la NETosi, i neutrofili emettono filamenti di DNA che intrappolano batteri e virus, proprio come una tela di ragno, per impedire i loro movimenti e per uccidere gli agenti patogeni intrappolati. Però, troppa NETosis rallenta anche la guarigione delle ferite nel diabete.

esperto di NETosi, L'assistente professoressa Christine Wong, dalla Lee Kong Chian School of Medicine di NTU che non è stata coinvolta in questo studio, afferma che la metodologia più ampiamente adottata per studiare la propensione alla NETosi attualmente è l'imaging in tempo reale o la microscopia dei neutrofili fissi.

Però, è un processo laborioso per i ricercatori isolare i neutrofili per la microscopia senza alterare il loro stato di base nativo, e non influenzare i risultati sperimentali.

"Il nuovo dispositivo di Asst Prof Hou e Asst Prof Li può consentire esperimenti e quantificazione di NETosis rapidi e non distorti, che sarà particolarmente utile per lo screening farmacologico ex vivo, "Asst Prof Wong ha detto nel suo commento indipendente.

"Se il dispositivo può essere modificato per misurare la NETosi nei neutrofili di topo, questa sarebbe una notizia deliziosa per i ricercatori che utilizzano modelli murini, poiché la bassa resa di neutrofili è un ostacolo comune nell'isolamento dei neutrofili di topo a causa del minor volume di sangue disponibile nei topi e del loro rapporto di cellule mieloidi inferiore rispetto agli umani".

Asst Prof Wong ha aggiunto che mentre è improbabile che il nuovo dispositivo sostituisca gli esperimenti di microscopia, in particolare quando la visualizzazione dei componenti cellulari durante il processo di NETosis è l'oggetto, le risorse risparmiate dalla quantificazione NET possono essere dirottate verso quelle indagini.