Fluorescensmikroskopi ger forskare otrolig kraft att belysa de minsta strukturerna och fånga realtidsaktiviteterna hos levande celler genom att märka biologiska molekyler med en veritabel regnbåge av fluorescerande färgämnen. Denna kraft kommer till en kostnad:Tekniken kan vara dyr och tidskrävande och, än så länge, har motstått försök till automatisering.

Denna situation kan dock förändras, med introduktionen av mikrofluidchipbaserade plattformar. En sådan nyutvecklad plattform har utvecklats av ett team av japanska forskare. Deras system gör det möjligt för forskare att snabbt avbilda fluorescerande celler som odlats inuti chipet med hjälp av en CMOS-bildsensor, samma teknik som finns i kameran på en smartphone. Det nya systemet, beskrivs denna vecka i AIP avancerar , har många potentiella användningsområden inom biomedicinsk forskning.

"Konventionella optiska mikroskop av bordsskiva är kraftfulla verktyg för forskare, men de är inte riktigt lämpliga för helt automatiserade system på grund av kostnaden och nödvändigheten av välutbildade tekniker, " sa Hiroaki Takehara, som forskar om automatiserade cellbearbetningsenheter vid University of Tokyo och är en av studiens författare.

För att utveckla ett on-chip-system, han slog sig ihop med medförfattaren Jun Ohta från Nara Institute of Science and Technology, en expert på CMOS-bildsensorteknik.

Andra grupper har utvecklat chip-baserade fluorescerande mikroskopisystem tidigare, men dessa inställningar krävde att provet satt direkt på bildsensorchippet, vilket medför risk för korskontaminering. Dessa system kan inte ha riktigt hög genomströmning eftersom sensorchipsen måste tvättas mellan användningen.

Takehara och kollegor utvecklade engångschips för att övervinna dessa begränsningar. Chipet innehåller mikrofluidkanaler speciellt utformade för odling av celler och introduktion av odlingsmedier, läkemedel och andra biologiska molekyler. Chippet har en ultratunn glasbotten som minimerar avståndet mellan cellerna och kontaktsensorn under. En CMOS-bildsensor känner av fluorescensen som sänds ut av cellerna, förvandlar den till en elektronisk signal och rekonstruerar sedan bilden.

För att demonstrera effektiviteten av deras system, forskarna odlade celler som innehöll fluorescerande färgämnen i sina kärnor i mikrokanalerna. När de exponerade celler för endoteltillväxtfaktor (EGF), som orsakar cellproliferation, kulturerna gav en mer intensiv fluorescenssignal än kulturer som inte behandlades med EGF, vilket indikerar att sensorn detekterade celltillväxt.

Författarna erkänner att plattformen för fluorescensmikroskopi på chip ger bilder med sämre rumslig upplösning än de för konventionella fluorescensmikroskop, men erbjuder fördelen att vara kompatibel med helautomatiska system. Plattformens ringa storlek och prisvärdhet gör den också attraktiv för användning i implanterbara enheter för mätning av glukos eller till och med hjärnaktivitet.

I framtida arbete, Takehara planerar att utforska användningen av plattformen för att övervaka stamcellsproduktion för användning inom regenerativ medicin och för screening av nya läkemedel.

"De alltför höga kostnaderna för att utveckla nya farmaceutiska läkemedel och det akuta behovet av [prisvärd] screeningteknik har blivit en akut fråga, " sa Takehara. "Ett helautomatiskt system, från provhantering till upptäckt, utan behov av välutbildade tekniker är en nyckelteknologi, och spelar en avgörande roll i utvecklingen av cellbaserad kostnadseffektiv screening."