L'onda sonora consente la sensazione dell'udito, ed è un importante modo di comunicare nel mondo animale. In fisica, il suono è considerato come una vibrazione meccanica che può propagarsi nei gas, liquidi e solidi. Un team di ricerca della Singapore University of Technology and Design (SUTD), guidato dall'assistente professore Dr Ye Ai, sta studiando le interazioni tra gli ultrasuoni (oltre il limite udibile dell'udito umano) e oggetti di dimensioni micron (es. cellule biologiche) sospesi in soluzioni acquose. Il team di ricerca del dottor Ai ha recentemente sviluppato una tecnologia di smistamento a livello di singola cellula altamente accurata utilizzando un raggio di onde sonore altamente focalizzato (50 μm di larghezza circa ¼ del diametro di un singolo capello umano). Questa nuova tecnologia di manipolazione cellulare consente un isolamento estremamente accurato di popolazioni cellulari rare in campioni biologici complessi. Più concisamente, fornisce il potenziale di trovare una singola cellula su un milione.

Analisi di una singola cellula, per esempio la capacità di esaminare le mutazioni del DNA a livello di singola cellula, è essenziale per valutare l'eterogeneità genetica dei tumori tra i diversi pazienti, e quindi detiene un grande potenziale di avanzamento verso la medicina di precisione per il trattamento del cancro. La chiave per implementare l'analisi di singole cellule è la capacità di isolare singole cellule da campioni biologici altamente eterogenei. Secondo una recente analisi di mercato condotta da Markets and Markets Research Pte Ltd, la dimensione del mercato globale dello smistamento cellulare è di 3,57 miliardi di dollari nel 2016 e si prevede che raggiungerà i 7,89 miliardi di dollari entro il 2021 con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 17,2%. Si prevede che l'Asia sarà il mercato in più rapida crescita nei prossimi cinque anni a causa dell'aumento degli investimenti governativi nella biotecnologia e nel settore sanitario.

Attualmente, lo smistamento e l'isolamento di popolazioni cellulari rare viene in genere eseguito utilizzando il sistema di smistamento cellulare attivato dalla fluorescenza (FACS), una tecnologia sviluppata quasi 60 anni fa. Però, gli attuali sistemi FACS sono complessi, ingombrante, e costoso, che richiedono personale altamente qualificato per il funzionamento, e può produrre aerosol a rischio biologico in ambienti aperti. La tecnologia microfluidica in grado di manipolare con precisione le cellule ha un grande potenziale per reinventare la tecnologia di selezione delle cellule di prossima generazione.

In questa ricerca, Il team del dottor Ai ha progettato e costruito un sistema di smistamento acustico che includeva un canale microfluidico monouso, un generatore di onde sonore riutilizzabile e un modulo di rilevamento della fluorescenza. Le cellule bersaglio con etichette fluorescenti specifiche per i loro biomarcatori di superficie possono essere riconosciute dal modulo di rilevamento della fluorescenza. Al rilevamento di una singola cellula bersaglio, il sistema attiva il generatore di onde sonore per produrre un fascio di onde sonore pulsato altamente focalizzato che può deviare rapidamente la cellula bersaglio verso l'uscita di raccolta. Il raggio dell'onda sonora con una larghezza di 50 μm è altamente localizzato, consentendo un ordinamento accurato a livello di singola cella.

Investigatore principale, Il dottor Ai ha dichiarato:"Rispetto ai sistemi FACS convenzionali, i meriti di questa tecnologia di smistamento cellulare includono un meccanismo di smistamento sostanzialmente semplificato che riduce le dimensioni dello strumento, ne riduce la complessità e riduce sostanzialmente i costi. Non solo quello, ma consente anche uno smistamento più accurato a livello di singola cella e non lascia danni alle celle bersaglio perché le onde sonore sono molto più delicate dei campi elettrici ampiamente utilizzati nei sistemi FACS convenzionali".

Questa nuova tecnologia di smistamento cellulare è stata pubblicata in Laboratorio su un chip , una rivista di alto livello incentrata sulla ricerca in dispositivi e applicazioni innovativi su micro e nanoscala. Due studenti laureati SUTD (Zhichao Ma e Yinning Zhou) e un ricercatore post-dottorato (David Collins) hanno partecipato a questo progetto.

Il team del dottor Ai ha sviluppato e dimostrato un sistema prototipo di laboratorio completamente funzionale, e sta attualmente cercando sovvenzioni per commercializzare questa tecnologia come strumentazione da banco che ha un'ampia applicazione nella ricerca biologica, diagnosi clinica e terapia cellulare.