Identificare un piccolo numero di cellule patogene tra molti milioni di cellule è complicato. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora sviluppato una tecnologia in grado di identificare enormi quantità di proprietà cellulari su piccola scala, individualmente e in dettaglio.

Tutti i processi vitali negli esseri umani, animali e piante dipendono dall'attività cellulare. Il corpo umano da solo contiene più di 210 tipi di cellule con proprietà e funzioni specifiche che influenzano lo sviluppo e la salute. Una comprensione dettagliata di queste cellule e delle loro proprietà è fondamentale per la biologia e la medicina. Però, filtrare le informazioni sulla cella ricercate è a volte una sfida immensa, in particolare se, su un milione di cellule, meno di una dozzina hanno la proprietà che scatena una malattia.

Un metodo consolidato in chimica, biologia e medicina per determinare rapidamente le proprietà di un gran numero di singole cellule è la citometria a flusso. Questa tecnologia di misurazione della cella può essere utilizzata, ad esempio, per identificare le cellule tumorali o le cellule T, quei globuli bianchi importanti per il sistema di difesa immunitario.

La tecnologia è stata inventata nel 1968, con i citometri a flusso convenzionali che normalmente misurano la luce diffusa e la fluorescenza quando le cellule attraversano un raggio laser. I segnali risultanti variano a seconda delle dimensioni, forma, struttura e colore delle cellule; Per esempio, Le cellule T sono molto lisce e diffondono meno luce rispetto alle altre cellule.

Una buona combinazione

Il gruppo di ricerca guidato da Andrew deMello, Professore ETH di Ingegneria Biochimica, è ora riuscito a sviluppare ulteriormente la citometria a flusso. La sua piattaforma di citometria basata sull'imaging misura le cellule e le loro proprietà più rapidamente, in quantità maggiori e molto più accurate rispetto ai citometri a flusso odierni. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora presentato il funzionamento del loro metodo sulla rivista scientifica chimica .

I ricercatori non hanno reinventato l'approccio, ma tecnologie esistenti piuttosto abilmente combinate:il loro citometro a flusso combina le capacità della microfluidica, che studia il comportamento dei fluidi attraverso microcanali, con metodi di rilevamento ottico altamente sensibili e imaging ultraveloce.

Ciò consente loro di raggiungere un rendimento ultra elevato superiore a 50, 000 celle al secondo. I citometri a flusso fluorescenti standard misurano in modo affidabile tra 100 e 20, 000 celle al secondo, e citometri a flusso per immagini solo fino a 4, 000 celle al secondo. In pratica, però, normalmente si misura un numero significativamente inferiore di cellule poiché di solito si raggruppano insieme.

"Stiamo sviluppando tecnologie per aiutare i chimici, biologi e medici specialisti conducono nuove ricerche, " dice deMello. Si aspetta che un giorno la piattaforma sarà anche più semplice e molto più economica degli strumenti di oggi.

In linea di principio, il loro citometro a flusso è costituito da tre parti:all'inizio, le celle sono allineate strettamente in un unico file. Un flusso microfluidico li guida quindi attraverso un microcanale a serpentina (vedere il disegno sopra) e nell'area di rilevamento ad alta velocità. Là, una fotocamera ad alta risoluzione registra le loro dimensioni, forma e struttura utilizzando gli effetti di luce. In un ultimo passaggio, possono essere ordinati in base alle loro proprietà.

Istantanee su loop

Una caratteristica speciale di questo approccio è che le cellule passano attraverso diversi anelli paralleli, che consente alla fotocamera di registrare con precisione un gran numero di celle. Questo accelera il metodo di deMello, e consente il funzionamento a portate eccezionalmente elevate. "La combinazione di microfluidi con l'imaging consente il miglioramento delle informazioni, " dice. Negli approcci convenzionali, in contrasto, un rilevatore registra una cella dopo l'altra in un punto specifico.

Con questa tecnologia si possono ottenere tre tipi di immagini:immagini in campo scuro con informazioni sulla forma e la struttura di una cellula (queste immagini mostrano strutture colorate su uno sfondo scuro), immagini in campo chiaro con informazioni sulla dimensione delle cellule e immagini fluorescenti con informazioni sull'aspetto e sulla struttura interna di una cellula. L'estrazione di informazioni morfologiche, in particolare, distingue l'approccio di deMello da altri approcci fluorescenti o basati su microfluidi.

Immagino come Papa Flash

Quando si sono imbattuti in un problema, Il gruppo di deMello ha beneficiato degli anni di esperienza nella microfluidica basata su goccioline e nei metodi ottici:quando le goccioline, le cellule o le microparticelle scorrono molto rapidamente, le immagini – come con le fotografie – a volte diventano distorte o sfocate. Il gruppo di ricerca ha risolto questo problema imparando dal passato:esporre le cellule, hanno usato l'illuminazione stroboscopica che scompone il flusso continuo di cellule – come una telecamera al rallentatore – in una sequenza di immagini fisse. Questo metodo è diventato famoso in tutto il mondo grazie all'inventore del flash stroboscopico, Harold E. Edgerton, noto anche come Papa Flash, le cui foto cult degli anni '60 sono state viste in tutto il mondo.

Grazie all'esposizione stroboscopica, le singole celle che si muovono a mezzo metro al secondo e in grandi quantità possono essere chiaramente registrate.

Per testare le prestazioni del loro metodo, scienziato senior di deMello, Stavros Stavrakis, insieme a due studenti laureati hanno analizzato una grande popolazione cellulare e una vita differenziata, cellule morenti e morte in base alla loro fluorescenza. I ricercatori dell'ETH di Zurigo vorrebbero sviluppare ulteriormente il metodo in vista di batteri, applicazioni nanoscientifiche e industriali.