Att identifiera ett litet antal patogena celler bland många miljoner celler är knepigt. Forskare vid ETH Zürich har nu utvecklat en teknologi som kan identifiera enorma mängder cellegenskaper i liten skala, individuellt och i detalj.

Alla livsprocesser hos människor, djur och växter är beroende av cellulär aktivitet. Enbart människokroppen innehåller mer än 210 celltyper med specifika egenskaper och funktioner som påverkar utveckling och hälsa. En detaljerad förståelse av dessa celler och deras egenskaper är avgörande för biologi och medicin. Dock, Att filtrera bort den eftertraktade cellinformationen är ibland en enorm utmaning – särskilt om, av en miljon celler, färre än ett dussin har den egenskap som utlöser en sjukdom.

En etablerad metod inom kemi, biologi och medicin för att snabbt bestämma egenskaperna hos ett stort antal enskilda celler är flödescytometri. Denna cellmätningsteknik kan användas, till exempel, för att identifiera cancerceller eller T-celler, de vita blodkropparna som är viktiga för immunförsvaret.

Tekniken uppfanns 1968, med konventionella flödescytometrar som normalt mäter spritt ljus och fluorescens när celler strömmar genom en laserstråle. De resulterande signalerna varierar beroende på storleken, form, struktur och färg på cellerna; till exempel, T-celler är mycket släta och sprider mindre ljus än andra celler.

En bra kombination

Forskargruppen ledd av Andrew deMello, ETH professor i biokemisk teknik, har nu lyckats utveckla flödescytometri betydligt ytterligare. Dess avbildningsbaserade cytometriplattform mäter celler och deras egenskaper snabbare, i större mängder och mycket mer exakt än dagens flödescytometrar. ETH Zürich-forskarna har nu presenterat hur deras metod fungerar i den vetenskapliga tidskriften Chem .

Forskarna har inte återuppfunnit metoden, utan snarare skickligt kombinerade befintliga teknologier:deras flödescytometer kombinerar förmågan hos mikrofluidik, som studerar vätskors beteende genom mikrokanaler, med mycket känsliga optiska detektionsmetoder och ultrasnabb bildbehandling.

Detta gör att de kan uppnå en ultrahög genomströmning på mer än 50, 000 celler per sekund. Standardfluorescensbaserade flödescytometrar mäter tillförlitligt mellan 100 och 20, 000 celler per sekund, och endast avbildningsflödescytometrar upp till 4, 000 celler per sekund. I praktiken, dock, det är normalt så att betydligt färre celler mäts då de vanligtvis klumpar ihop sig.

"Vi utvecklar teknologier för att hjälpa kemister, biologer och medicinska specialister bedriver ny forskning, säger deMello. Han förväntar sig att plattformen en dag också kommer att bli enklare och mycket billigare än dagens instrument.

I princip, deras flödescytometer består av tre delar:i början, cellerna ligger tätt uppradade i en enda fil. Ett mikrofluidiskt flöde leder dem sedan genom en serpentinmikrokanal (se ritningen ovan) och in i detektionsområdet med hög hastighet. Där, en högupplöst kamera registrerar deras storlek, form och struktur med hjälp av ljuseffekterna. I ett sista steg, de kan sorteras efter deras egenskaper.

Ögonblicksbilder på slingor

En speciell egenskap hos detta tillvägagångssätt är att cellerna passerar genom flera parallella slingor, vilket gör att kameran kan spela in ett stort antal celler med precision. Detta påskyndar deMellos metod, och tillåter drift vid exceptionellt höga genomströmningar. "Kombinationen av mikrovätskor med bildbehandling möjliggör förbättring av information, " säger han. I konventionella metoder, i kontrast, en detektor registrerar en cell efter en annan vid en specifik punkt.

Tre typer av bilder kan erhållas med denna teknik:mörkfältsbilder med information om formen och strukturen hos en cell (dessa bilder visar färgade strukturer mot en mörk bakgrund), ljusfältsbilder med information om cellstorleken och fluorescerande bilder med information om en cells utseende och inre struktur. Extraktion av morfologisk information i synnerhet skiljer deMellos tillvägagångssätt från andra fluorescerande eller mikrofluidbaserade tillvägagångssätt.

Avbildning som Papa Flash

När de stötte på ett problem, deMellos grupp drog nytta av år av erfarenhet av droppbaserad mikrofluidik och optiska metoder:när droppar, celler eller mikropartiklar flödar mycket snabbt, bilderna – som med fotografier – blir ibland förvrängda eller suddiga. Forskargruppen löste detta problem genom att lära av det förflutna:att exponera cellerna, de använde stroboskopisk belysning som bryter ner det kontinuerliga flödet av celler – som en slow motion-kamera – till en sekvens av stillbilder. Denna metod blev världsberömd tack vare uppfinnaren av stroboskopblixten, Harold E. Edgerton, även känd som Papa Flash, vars kultfoton från 1960-talet sågs runt om i världen.

Tack vare stroboskopisk exponering, enskilda celler som rör sig med en halv meter per sekund och i stora mängder kan tydligt registreras.

För att testa prestandan för deras metod, deMellos seniorforskare, Stavros Stavrakis, tillsammans med två doktorander analyserade en stor cellpopulation och differentierat boende, döende och döda celler på basis av deras fluorescens. ETH Zürich-forskarna vill vidareutveckla metoden med sikte på bakteriell, nanovetenskapliga och industriella tillämpningar.