Geluidsgolf maakt het gevoel van horen mogelijk, en is een belangrijke manier van communiceren in de dierenwereld. in de natuurkunde, geluid wordt beschouwd als een mechanische trilling die zich kan voortplanten in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen. Een onderzoeksteam van de Singapore University of Technology and Design (SUTD), onder leiding van assistent-professor dr. Ye Ai, bestudeert de interacties tussen ultrageluid (voorbij de hoorbare limiet van het menselijk gehoor) en micron-sized objecten (bijvoorbeeld biologische cellen) gesuspendeerd in waterige oplossingen. Het onderzoeksteam van Dr. Ai heeft onlangs een zeer nauwkeurige sorteertechnologie op één celniveau ontwikkeld met behulp van een zeer gerichte geluidsgolfbundel (50 m breed, ongeveer ¼ van de diameter van een enkele mensenhaar). Deze nieuwe celmanipulatietechnologie maakt zeer nauwkeurige isolatie van zeldzame celpopulaties in complexe biologische monsters mogelijk. beknopter, het biedt het potentieel om een ​​enkele cel in een miljoen te vinden.

Eencellige analyse, bijvoorbeeld het vermogen om DNA-mutaties op eencellig niveau te onderzoeken, is essentieel voor het beoordelen van de genetische heterogeniteit van kankers bij verschillende patiënten, en heeft dus een groot potentieel om vooruitgang te boeken in de richting van precisiegeneeskunde voor de behandeling van kanker. De sleutel tot het implementeren van eencellige analyse is het vermogen om afzonderlijke cellen te isoleren uit zeer heterogene biologische monsters. Volgens een recente marktanalyse uitgevoerd door Markets and Markets Research Pte Ltd, de wereldwijde marktomvang van celsortering bedraagt ​​3,57 miljard dollar in 2016 en zal naar verwachting 7,89 miljard dollar bereiken in 2021 met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 17,2%. Azië zal naar verwachting de snelst groeiende markt zijn in de komende vijf jaar door toenemende overheidsinvesteringen in biotechnologie en de zorgsector.

Momenteel, het sorteren en isoleren van zeldzame celpopulaties wordt meestal uitgevoerd met behulp van een fluorescentie-geactiveerd celsorteersysteem (FACS), een technologie die bijna 60 jaar geleden is ontwikkeld. Echter, huidige FACS-systemen zijn complex, omvangrijk, en duur, hoog opgeleid personeel nodig hebben voor de bediening, en kan biogevaarlijke aerosolen produceren in open omgevingen. Microfluïdische technologie die in staat is tot nauwkeurige celmanipulatie heeft een groot potentieel om de volgende generatie celsorteringstechnologie opnieuw uit te vinden.

In dit onderzoek, Het team van Dr. Ai ontwierp en bouwde een akoestisch sorteersysteem met een wegwerpbaar microfluïdisch kanaal, een herbruikbare geluidsgolfgenerator en een fluorescentiedetectiemodule. Doelcellen met fluorescerende labels die specifiek zijn voor hun oppervlakte-biomarkers kunnen worden herkend door de fluorescentiedetectiemodule. Bij de detectie van een enkele doelcel, het systeem activeert de geluidsgolfgenerator om een ​​gepulseerde, zeer gerichte geluidsgolfbundel te produceren die de doelcel snel kan afbuigen naar de verzameluitgang. De geluidsgolfbundel met een breedte van 50 m is zeer gelokaliseerd, waardoor nauwkeurige sortering op het niveau van één cel mogelijk is.

Hoofdonderzoeker, Dr. Ai zei:"Vergeleken met conventionele FACS-systemen, de verdiensten van deze celsorteertechnologie omvatten een aanzienlijk vereenvoudigd sorteermechanisme dat de afmetingen van het instrument verkleint, vermindert de complexiteit en verlaagt de kosten aanzienlijk. Niet alleen dat, maar het maakt ook nauwkeuriger sorteren op één celniveau mogelijk en laat geen schade aan doelcellen achter, omdat geluidsgolven veel zachter zijn dan elektrische velden die veel worden gebruikt in conventionele FACS-systemen."

Deze nieuwe celsorteringstechnologie is gepubliceerd in Lab op een chip , een toptijdschrift gericht op onderzoek naar innovatieve apparaten en toepassingen op micro- en nanoschaal. Twee SUTD-afgestudeerde studenten (Zhichao Ma en Yinning Zhou) en een postdoctoraal onderzoeker (David Collins) namen deel aan dit project.

Het team van Dr. Ai heeft een volledig functioneel laboratoriumprototypesysteem ontwikkeld en gedemonstreerd, en is momenteel op zoek naar subsidies om deze technologie te commercialiseren als een benchtop-instrumentatie die een brede toepassing heeft in biologisch onderzoek, klinische diagnose en celgebaseerde therapieën.