Se ti sei mai fermato a guardare la pioggia cadere sul vetro di una finestra, hai visto cosa succede quando due gocce d'acqua si toccano e si fondono in una sola. La fisica all'opera in questo fenomeno potrebbe fornire una soluzione per lo sviluppo di dispositivi di analisi biologica personale miniaturizzati. Un team internazionale di scienziati dell'IBM Research-Zurich e del Microfluidics for Oncology Laboratory del Polytechnique Montréal hanno riportato questa scoperta in Natura .

Installare un laboratorio su un chip:una sfida di lunga data

Negli ultimi due decenni, la ricerca condotta in tutto il mondo sui cosiddetti dispositivi lab-on-a-chip ha mostrato risultati promettenti per gli strumenti portatili che richiedono solo un piccolo campione di fluido corporeo (ad es. sangue, saliva, urina) per lo screening di malattie o per misurare i dati biologici. Questi tipi di sistemi in miniatura esistono già per semplici misurazioni effettuate con pochi reagenti:glucometri e test di gravidanza sono due esempi. Ma analisi più complesse, che richiedono la miscelazione di un singolo campione con una serie di reagenti in quantità precise in un ordine specifico, si sono rivelati più difficili da sviluppare.

Uno degli approcci più promettenti per l'integrazione di più reagenti in un unico dispositivo di analisi consiste nel depositare goccioline delle dimensioni di un picolitro (pochi miliardesimi di millilitro) in un microsistema utilizzando una tecnica analoga alla stampa a getto d'inchiostro, e quindi sigillare il dispositivo. A contatto con l'aria, le minuscole quantità di liquido evaporano istantaneamente, lasciando una sequenza molto precisa di reagenti essiccati, che può essere reidratato quando il campione di fluido viene aggiunto al momento del test. Permane una grossa difficoltà, tuttavia:quando il fluido si sposta attraverso i reagenti essiccati, li disperde, "rimescolando il segnale, " e impedendo l'esecuzione di delicati passaggi diagnostici che comportano misurazioni biochimiche precise.

Per affrontare il problema della dispersione, Onur Gökçe, Yuksel Temiz ed Emmanuel Delamarche di IBM Research-Zurich hanno avuto l'idea di allungare una goccia d'acqua in una lunga forma a nastro in un microcanale della larghezza di un capello umano, e costringendo il liquido a ripiegarsi su se stesso. Così facendo, il campione d'acqua si chiude in modo simile alla chiusura di una cerniera lampo.

"Questo processo molto intrigante ci permette di ridurre, al minimo, la portata del liquido localmente, dove si trovano i reagenti essiccati, in modo che quando i reagenti vengono reidratati, non si disperdono più, " spiega Emmanuel Delamarche, manager del gruppo Precision Diagnostics presso IBM Research-Zurigo.

Sebbene i risultati osservati fossero conclusivi, il team ha studiato il fenomeno della fluidodinamica al lavoro in modo che potesse essere sfruttato come parte di un processo affidabile. Professor Thomas Gervais, capo del Laboratorio di Microfluidica per Oncologia del Politecnico, affrontato quella parte del progetto.

Dalla sperimentazione alla modellazione

Studiando ulteriormente il comportamento della goccia d'acqua, i ricercatori hanno concluso che era legato al fenomeno della coalescenza, un esempio è rappresentato dalla fusione spontanea di due gocce di un liquido che entrano in contatto tra loro. In termini fisici, la coalescenza nasce dalla forte affinità tra le molecole d'acqua, il cui effetto è quello di ridurre al minimo la superficie d'acqua esposta all'aria. Ecco perché le minuscole gocce d'acqua sono sferiche:di tutte le forme geometriche, la sfera ha la superficie più piccola per un dato volume.

"In questo caso, però, abbiamo dovuto studiare cosa succede quando una goccia d'acqua distorta in un microcanale si fonde con un'altra parte di se stessa, " Spiega il professor Gervais. "Il nostro obiettivo era comprendere il fenomeno e controllarlo, in modo da poter costringere il liquido a ristagnare nel punto preciso in cui incontra un reagente all'interno del dispositivo."

modellazione del fenomeno, che il team ha soprannominato "autocoalescenza, " si basava su un approccio matematico sviluppato negli anni '50 per studiare i flussi viscosi bidimensionali illimitati. Il lavoro è stato eseguito utilizzando tecniche di calcolo sviluppate da Samuel Castonguay, chi sta completando il suo dottorato di ricerca. in ingegneria fisica al Polytechnique sotto la direzione del professor Gervais. Per armonizzare i risultati della modellazione con i risultati sperimentali, Il signor Castonguay è andato a Zurigo, lavorando per alcuni mesi con i ricercatori IBM.

"Non solo i nostri modelli ci hanno permesso di padroneggiare questo nuovo tipo di flusso, ma possiamo anche programmare in modo molto preciso configurazioni spaziali e temporali di segnali chimici usando una combinazione di reagenti, con dispersione minima, e senza necessità di intervento da parte dell'utente, " osserva il professor Gervais. "La partnership tra le nostre due squadre ha quindi dato vita a un romanzo, architettura di test biochimici particolarmente flessibile e precisa, che preserva la sequenza di utilizzo di dozzine di reagenti contemporaneamente durante un test."

Verso strumenti diagnostici mobili mirati

Il team IBM ha anche dimostrato che questo tipo di architettura potrebbe essere utilizzato per misurare le reazioni enzimatiche, con un occhio alla rilevazione di varie malattie (malattie genetiche, Per esempio). Ha anche mostrato un proof-of-concept per un metodo di amplificazione del DNA, una reazione utilizzata per produrre copie di uno specifico segmento di DNA da un campione, a temperatura ambiente. Il metodo elimina la necessità per un tecnico di eseguire ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento sul campione. Una singola goccia di campione viene inserita nel dispositivo, e l'analisi viene eseguita automaticamente. Questo esperimento mostra il potenziale per un uso futuro del processo per eseguire il sequenziamento del DNA di geni associati a patologie come il cancro, e per rilevare determinati virus.

"La nostra speranza è che il nostro processo consenta ai produttori di lab-on-a-chip di ottenere prestazioni diagnostiche senza precedenti, con prodotti semplici da usare come gli odierni glucometri, " dice il dottor Delamarche.

Infine, dato che i segnali biochimici registrati da questo tipo di test potrebbero essere probabilmente letti da uno smartphone e trasmessi a una banca dati centralizzata, i test potrebbero anche svolgere un importante ruolo futuro nel monitoraggio della diffusione delle epidemie in regioni remote lontane dai centri medici, e nello screening a livello nazionale e internazionale per varie malattie.