La rivoluzionaria tecnologia lab-on-a-chip che rivela come comunicano le cellule umane potrebbe portare a nuovi trattamenti per il cancro e le malattie autoimmuni.

Sviluppato da un team di ricerca svizzero-australiano, la tecnologia offre ai ricercatori informazioni senza precedenti su come si comportano le singole cellule, qualcosa che gli scienziati stanno scoprendo è molto più complesso di quanto si pensasse in precedenza.

I ricercatori della RMIT University, L'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) e il Ludwig Institute for Cancer Research di Losanna hanno unito le forze per costruire un biosensore in miniatura che consente agli scienziati di isolare singole cellule, analizzarli in tempo reale e osservare il loro complesso comportamento di segnalazione senza disturbare il loro ambiente.

Illustre Professor Arnan Mitchell, Direttore della MicroNano Research Facility di RMIT, ha detto che l'analisi unicellulare era molto promettente per lo sviluppo di nuovi trattamenti per le malattie, ma la mancanza di tecnologie di analisi efficaci stava ostacolando la ricerca nel campo.

"Sappiamo molto su come i gruppi di cellule comunicano per combattere le malattie o rispondere alle infezioni, ma abbiamo ancora molto da imparare sulle singole cellule, " ha detto Mitchell.

"Gli studi hanno recentemente dimostrato che puoi prendere due cellule dello stesso tipo e dare loro lo stesso trattamento, ma risponderanno in modo molto diverso.

"Non sappiamo abbastanza sui meccanismi sottostanti per capire perché questo accade e non abbiamo le tecnologie giuste per aiutare gli scienziati a capirlo.

"La nostra soluzione a questa sfida è un pacchetto completo:un biosensore optofluidico integrato in grado di isolare singole cellule e monitorare le sostanze chimiche che producono in tempo reale per almeno 12 ore.

"È un nuovo potente strumento che ci darà una comprensione fondamentale più profonda della comunicazione e del comportamento cellulare. Queste intuizioni apriranno la strada allo sviluppo di metodi radicalmente nuovi per la diagnosi e il trattamento delle malattie".

Le cellule umane comunicano che qualcosa non va in modi complessi e dinamici, producendo varie sostanze chimiche che segnalano ad altre cellule ciò che devono fare. Quando viene rilevata un'infezione, Per esempio, i globuli bianchi entreranno in azione e rilasceranno speciali proteine ​​per combattere ed eliminare gli intrusi.

Comprendere come interagiscono e comunicano le singole cellule è fondamentale per lo sviluppo di nuove terapie per malattie gravi, per sfruttare meglio la potenza del sistema immunitario del corpo o mirare con precisione alle cellule difettose.

In un articolo pubblicato sulla rivista ad alto impatto Piccolo , il team di ricerca dimostra come la tecnologia può essere utilizzata per esaminare la secrezione di citochine da singole cellule di linfoma.

Le citochine sono piccole proteine ​​prodotte da un'ampia gamma di cellule per comunicare con altre cellule, e sono noti per svolgere un ruolo importante nelle risposte alle infezioni, disturbi immunitari, infiammazione, sepsi e cancro.

Lo studio ha scoperto che le cellule del linfoma producono citochine in modi diversi, unico per ogni cellula, consentendo ai ricercatori di determinare le "impronte digitali di secrezione" di ciascuna cellula.

"Se riusciamo a costruire un quadro chiaro di questo comportamento, questo ci aiuterebbe a distinguere le cellule buone da quelle cattive e ci consentirebbe di sviluppare un giorno trattamenti che colpiscano proprio quelle cellule cattive, " ha detto Mitchell.

Come funziona

Il biosensore è l'ultimo adattamento della tecnologia microfluidica lab-on-a-chip sviluppata nel MicroNano Research Facility di RMIT.

Un chip microfluidico contiene minuscoli canali, pompe e processori, consentendo una manipolazione precisa e flessibile dei fluidi. Essenzialmente, la microfluidica fa per i fluidi ciò che la microelettronica fa per le informazioni:integrando grandi quantità di minuscoli elementi di elaborazione in un piccolo chip portatile, veloce e può essere prodotto in modo rapido ed efficiente.

La nuova tecnologia conveniente e scalabile è leggera e portatile, combinando la microfluidica con la nanofotonica.

Compatibile con i microscopi tradizionali, il biosensore è un sottile vetrino rivestito con una pellicola d'oro, perforato con miliardi di minuscoli nanofori disposti secondo uno schema specifico. Questi nanofori trasmettono un unico colore di luce, a causa di un fenomeno ottico noto come effetto plasmonico.

Osservando il colore trasmesso, i ricercatori possono determinare la presenza di piccole quantità di sostanze chimiche specifiche su un vetrino senza etichette esterne. Questo metodo di rilevamento consente il monitoraggio continuo delle sostanze chimiche prodotte da una singola cella in tempo reale.

Il sensore nanofotonico è accoppiato a un circuito integrato microfluidico con canali fluidi delle dimensioni di un capello umano. Il circuito include valvole per isolare la cellula e concentrare le sue secrezioni, e sistemi per regolare la temperatura e l'umidità per sostenere la cella.

Il lavoro è una collaborazione tra il laboratorio di Sistemi Bionanofotonici dell'EPFL, Svizzera, il Centro integrato di fotonica e applicazioni della Scuola di Ingegneria dell'RMIT e del Ludwig Institute for Cancer Research, Svizzera.

I chip microfluidici RMIT sono stati fondamentali nel consentire la ricerca in una vasta gamma di aree, dal monitoraggio della qualità dell'acqua allo sviluppo di esami del sangue point-of-care per sospetti attacchi di cuore che potrebbero fornire risultati mentre un paziente è ancora in ambulanza.