Per sviluppare terapie efficaci contro i patogeni, gli scienziati devono prima scoprire come attaccano le cellule ospiti. Un modo efficiente per condurre queste indagini su vasta scala è attraverso test di screening ad alta velocità chiamati saggi.

I ricercatori della Texas A&M University hanno inventato un metodo di separazione cellulare ad alto rendimento che può essere utilizzato in combinazione con la microfluidica delle goccioline, una tecnica in base alla quale minuscole gocce di fluido contenente carichi biologici o di altro tipo possono essere spostate con precisione e ad alta velocità. Nello specifico, i ricercatori hanno isolato con successo i patogeni attaccati alle cellule ospiti da quelli che non erano attaccati all'interno di una singola goccia di fluido utilizzando un campo elettrico.

"Oltre alla separazione cellulare, la maggior parte dei test biochimici è stata convertita con successo in sistemi microfluidici a goccioline che consentono test ad alta produttività, " disse Arum Han, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e ricercatore principale del progetto. "Abbiamo colmato questa lacuna, e ora la separazione cellulare può essere eseguita in modo ad alta produttività all'interno della piattaforma microfluidica a goccioline. Questo nuovo sistema semplifica sicuramente lo studio delle interazioni ospite-patogeno, ma è anche molto utile per applicazioni di microbiologia ambientale o screening dei farmaci".

I ricercatori hanno riportato i loro risultati nel numero di agosto della rivista Laboratorio su un chip .

I dispositivi microfluidici sono costituiti da reti di canali o tubi di dimensioni micron che consentono movimenti controllati dei fluidi. Recentemente, la microfluidica che utilizza goccioline di acqua in olio ha guadagnato popolarità per un'ampia gamma di applicazioni biotecnologiche. Queste goccioline, che sono picolitri (o un milione di volte meno di un microlitro) di volume, possono essere utilizzate come piattaforme per l'esecuzione di reazioni biologiche o per il trasporto di materiali biologici. Milioni di goccioline all'interno di un singolo chip facilitano esperimenti ad alto rendimento, risparmiando non solo spazio in laboratorio, ma anche il costo dei reagenti chimici e del lavoro manuale.

I test biologici possono coinvolgere diversi tipi di cellule all'interno di una singola gocciolina, che eventualmente dovranno essere separati per successive analisi. Questo compito è estremamente impegnativo in un sistema microfluidico a goccioline, ha detto Han.

"Ottenere la separazione cellulare all'interno di una minuscola gocciolina è estremamente difficile perché, se ci pensi, primo, è una minuscola gocciolina di 100 micron di diametro, e secondo, all'interno di questa minuscola goccia, più tipi di cellule sono tutti mescolati insieme, " Egli ha detto.

Per sviluppare la tecnologia necessaria per la separazione cellulare, Han e il suo team hanno scelto un sistema modello ospite-patogeno costituito dai batteri della salmonella e dal macrofago umano, un tipo di cellula immunitaria. Quando entrambi questi tipi di cellule vengono introdotti all'interno di una gocciolina, alcuni dei batteri aderiscono alle cellule dei macrofagi. L'obiettivo dei loro esperimenti era quello di separare la salmonella che si attaccava al macrofago da quelle che non lo facevano.

Per la separazione cellulare, Han e il suo team hanno costruito due coppie di elettrodi che hanno generato un campo elettrico oscillante in prossimità della gocciolina contenente i due tipi di cellule. Poiché i batteri e le cellule ospiti hanno forme diverse, dimensioni e proprietà elettriche, hanno scoperto che il campo elettrico produceva una forza diversa su ciascun tipo di cellula. Questa forza ha provocato il movimento di un tipo di cellula alla volta, separando le cellule in due posizioni diverse all'interno della gocciolina. Per separare la gocciolina madre in due goccioline figlie contenenti un tipo di cellule, i ricercatori hanno anche realizzato una giunzione di divisione a forma di Y a valle.

Han ha detto che sebbene questi esperimenti siano stati condotti con un ospite e un patogeno la cui interazione è ben consolidata, il loro nuovo sistema microfluidico dotato di separazione in goccia è molto utile quando la patogenicità delle specie batteriche è sconosciuta. Ha aggiunto che la loro tecnologia consente un rapido, screening ad alto rendimento in queste situazioni e per altre applicazioni in cui è richiesta la separazione cellulare.

"Le mani robotiche per la manipolazione dei liquidi possono condurre milioni di analisi ma sono estremamente costose. La microfluidica delle goccioline può fare lo stesso in milioni di goccioline, molto più veloce e molto più economico, "Ha detto Han. "Ora abbiamo integrato la tecnologia di separazione cellulare nei sistemi microfluidici a goccioline, consentendo la precisa manipolazione delle cellule in goccioline in un modo ad alta produttività, cosa che prima non era possibile".