Ljudvåg möjliggör känslan av hörsel, och är ett viktigt sätt att kommunicera i djurvärlden. I fysik, ljud betraktas som en mekanisk vibration som kan fortplanta sig i gaser, vätskor och fasta ämnen. Ett forskarlag från Singapore University of Technology and Design (SUTD), ledd av biträdande professor Dr Ye Ai, studerar interaktionerna mellan ultraljud (bortom den hörbara gränsen för mänsklig hörsel) och mikronstora föremål (t.ex. biologiska celler) suspenderade i vattenlösningar. Dr Ais forskargrupp utvecklade nyligen en mycket noggrann encellsnivåsorteringsteknik med hjälp av en mycket fokuserad ljudvågsstråle (50 μm bred ungefär ¼ av ett enda människohårs diameter). Denna nya cellmanipuleringsteknik möjliggör mycket noggrann isolering av sällsynta cellpopulationer i komplexa biologiska prover. Mer kortfattat, det ger potentialen att hitta en enda cell på en miljon.

Encellsanalys, till exempel förmågan att undersöka DNA-mutationer på encellsnivå, är avgörande för att bedöma den genetiska heterogeniteten hos cancerformer bland olika patienter, och har därmed stor potential att avancera mot precisionsmedicin för cancerbehandling. Nyckeln till att implementera encellsanalys är förmågan att isolera enstaka celler från mycket heterogena biologiska prover. Enligt en nyligen genomförd marknadsanalys utförd av Markets and Markets Research Pte Ltd, den globala marknadsstorleken för cellsortering är 3,57 miljarder USD 2016 och förväntas nå 7,89 miljarder USD 2021 med en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på 17,2 %. Asien förväntas vara den snabbast växande marknaden under de kommande fem åren på grund av ökande statliga investeringar i bioteknik och hälsovårdssektorn.

För närvarande, sortering och isolering av sällsynta cellpopulationer utförs vanligtvis med fluorescensaktiverat cellsorteringssystem (FACS), en teknik som utvecklades för nästan 60 år sedan. Dock, nuvarande FACS-system är komplexa, stor och tung, och dyrt, kräver högutbildad personal för drift, och kan producera biofarliga aerosoler i öppna miljöer. Mikrofluidikteknik som kan exakt cellmanipulation har stor potential att återuppfinna nästa generations cellsorteringsteknologi.

I denna forskning, Dr Ais team designade och byggde ett akustiskt sorteringssystem som inkluderade en mikrofluidkanal för engångsbruk, en återanvändbar ljudvågsgenerator och en fluorescensdetektionsmodul. Målceller med fluorescerande etiketter specifika för deras ytbiomarkörer kan kännas igen av fluorescensdetektionsmodulen. Vid upptäckt av en enda målcell, systemet aktiverar ljudvågsgeneratorn för att producera en pulsad högfokuserad ljudvågsstråle som snabbt kan avleda målcellen till uppsamlingsuttaget. Ljudvågsstrålen med en bredd på 50 μm är mycket lokaliserad, möjliggör noggrann sortering på encellsnivå.

Huvudutredare, Dr Ai sa:"Jämfört med konventionella FACS-system, fördelarna med denna cellsorteringsteknologi inkluderar en väsentligt förenklad sorteringsmekanism som krymper instrumentstorleken, minskar dess komplexitet och minskar kostnaderna avsevärt. Inte bara det, men det möjliggör också mer exakt sortering på en cellnivå och lämnar inga skador på målceller eftersom ljudvågor är mycket skonsammare än elektriska fält som ofta används i konventionella FACS-system."

Denna nya cellsorteringsteknik har publicerats i Lab on a Chip , en topptidskrift fokuserad på forskning inom innovativa enheter och applikationer i mikro- och nanoskala. Två SUTD doktorander (Zhichao Ma och Yinning Zhou) och en postdoktor (David Collins) deltog i detta projekt.

Dr Ais team har utvecklat och demonstrerat ett fullt fungerande laboratorieprototypsystem, och söker för närvarande anslag för att kommersialisera denna teknik som en bänkinstrument som har en bred tillämpning inom biologisk forskning, klinisk diagnos och cellbaserad terapi.