Banbrytande lab-on-a-chip-teknologi som avslöjar hur mänskliga celler kommunicerar kan leda till nya behandlingar för cancer och autoimmuna sjukdomar.

Utvecklad av en australisk-schweizisk forskargrupp, Tekniken ger forskare oöverträffade insikter om hur enskilda celler beter sig – något som forskare upptäcker är mycket mer komplext än man tidigare trott.

Forskarna från RMIT University, École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) och Ludwig Institute for Cancer Research i Lausanne gick samman för att bygga en miniatyrbiosensor som gör det möjligt för forskare att isolera enstaka celler, analysera dem i realtid och observera deras komplexa signalbeteende utan att störa deras omgivning.

Den framstående professor Arnan Mitchell, Direktör för RMITs MicroNano Research Facility, nämnda encellsanalys hade ett stort löfte för att utveckla nya behandlingar för sjukdomar, men bristen på effektiv analysteknik höll tillbaka forskningen inom området.

"Vi vet mycket om hur grupper av celler kommunicerar för att bekämpa sjukdomar eller svara på infektioner, men vi har fortfarande mycket att lära om enskilda celler, " sa Mitchell.

"Studier har nyligen visat att man kan ta två celler av samma typ och ge dem samma behandling men de kommer att svara väldigt olika.

"Vi vet inte tillräckligt om de underliggande mekanismerna för att förstå varför detta händer och vi har inte rätt teknik för att hjälpa forskare att ta reda på det.

"Vår lösning på denna utmaning är ett komplett paket - en integrerad optofluidisk biosensor som kan isolera enskilda celler och övervaka kemikalierna de producerar i realtid under minst 12 timmar.

"Det är ett kraftfullt nytt verktyg som kommer att ge oss en djupare grundläggande förståelse för cellkommunikation och beteende. Dessa insikter kommer att öppna vägen för att utveckla radikalt nya metoder för att diagnostisera och behandla sjukdomar."

Mänskliga celler kommunicerar att något är fel på komplexa och dynamiska sätt, producerar olika kemiska ämnen som signalerar till andra celler vad de behöver göra. När en infektion upptäcks, till exempel, vita blodkroppar kommer igång och släpper ut speciella proteiner för att bekämpa och eliminera inkräktarna.

Att förstå hur enskilda celler interagerar och kommunicerar är avgörande för att utveckla nya terapier för allvarliga sjukdomar, för att bättre utnyttja kraften i kroppens eget immunförsvar eller rikta in sig på defekta celler.

I en artikel publicerad i tidskriften med hög effekt Små , forskargruppen visar hur tekniken kan användas för att undersöka utsöndringen av cytokiner från enstaka lymfomceller.

Cytokiner är små proteiner som produceras av ett brett spektrum av celler för att kommunicera med andra celler, och de är kända för att spela en viktig roll i svar på infektion, immunförsvar, inflammation, sepsis och cancer.

Studien fann att lymfomcellerna producerade cytokin på olika sätt, unik för varje cell, gör det möjligt för forskare att fastställa varje cells "sekretionsfingeravtryck".

"Om vi ​​kan bygga upp en tydlig bild av detta beteende, detta skulle hjälpa oss att sortera bra celler från dåliga och göra det möjligt för oss att en dag utveckla behandlingar som riktar sig just mot de dåliga cellerna, " sa Mitchell.

Hur det fungerar

Biosensorn är den senaste anpassningen av mikrofluidisk lab-on-a-chip-teknologi som utvecklats i RMITs MicroNano Research Facility.

Ett mikrofluidchip innehåller små kanaler, pumpar och processorer, möjliggör exakt och flexibel hantering av vätskor. Väsentligen, mikrofluidik gör för vätskor vad mikroelektronik gör för information - integrera stora mängder små bearbetningselement i ett litet chip som är bärbart, snabbt och kan produceras snabbt och effektivt.

Den nya kostnadseffektiva och skalbara tekniken är lätt och bärbar, kombinera mikrofluidik med nanofotonik.

Kompatibel med traditionella mikroskop, biosensorn är ett tunt objektglas belagt med en guldfilm, perforerad med miljarder små nanohål arrangerade i ett specifikt mönster. Dessa nanohål sänder en enda färg av ljus, på grund av ett optiskt fenomen som kallas den plasmoniska effekten.

Genom att observera färgen som överförs, forskare kan fastställa förekomsten av små mängder av specifika kemikalier på ett objektglas utan några externa etiketter. Denna detekteringsmetod möjliggör kontinuerlig övervakning av de kemikalier som produceras från en enda cell i realtid.

Den nanofotoniska sensorn är kopplad till en mikrofluidisk integrerad krets med vätskekanaler ungefär lika stora som ett människohår. Kretsen inkluderar ventiler för att isolera cellen och koncentrera dess sekret, och system för att reglera temperaturen och fuktigheten för att upprätthålla cellen.

Arbetet är ett samarbete mellan laboratoriet för bionanofotoniska system vid EPFL, Schweiz, det integrerade fotonik- och applikationscentret på School of Engineering vid RMIT och Ludwig Institute for Cancer Research, Schweiz.

RMIT-mikrofluidchips har varit avgörande för att möjliggöra forskning inom en rad områden – från övervakning av vattenkvalitet till utveckling av blodprover för misstänkta hjärtinfarkter som kan ge resultat medan en patient fortfarande befinner sig i en ambulans.