Fluorescentiemicroscopie geeft onderzoekers ongelooflijke kracht om de kleinste structuren te verlichten en de realtime activiteiten van levende cellen vast te leggen door biologische moleculen te taggen met een echte regenboog van fluorescerende kleurstoffen. Deze kracht brengt kosten met zich mee:de technologie kan duur en tijdrovend zijn en, tot dusver, heeft zich verzet tegen pogingen tot automatisering.

Deze situatie kan echter veranderen, met de introductie van op microfluïde chips gebaseerde platforms. Een dergelijk nieuw ontwikkeld platform is ontwikkeld door een team van Japanse onderzoekers. Hun systeem stelt wetenschappers in staat om fluorescerende cellen die in de chip zijn gegroeid snel in beeld te brengen met behulp van een CMOS-beeldsensor, dezelfde technologie als in de camera van een smartphone. Het nieuwe systeem, deze week beschreven in AIP-vooruitgang , heeft tal van potentiële toepassingen in biomedisch onderzoek.

"Conventionele optische microscopen van het tafelmodel zijn krachtige hulpmiddelen voor onderzoekers, maar ze zijn niet echt geschikt voor volledig geautomatiseerde systemen vanwege de kosten en de noodzaak van goed opgeleide technici, " zei Hiroaki Takehara, die onderzoek doet naar geautomatiseerde celverwerkingsapparatuur aan de Universiteit van Tokio en een van de auteurs van het onderzoek is.

Om een ​​on-chip systeem te ontwikkelen, hij werkte samen met co-auteur Jun Ohta van het Nara Institute of Science and Technology, een expert in CMOS-beeldsensortechnologie.

Andere groepen hebben eerder op chips gebaseerde fluorescentiemicroscopiesystemen ontwikkeld, maar voor die opstellingen moest het monster direct op de beeldsensorchip zitten, wat het risico van kruisbesmetting met zich meebrengt. Deze systemen kunnen niet echt high-throughput zijn, omdat de sensorchips tussendoor moeten worden gewassen.

Takehara en collega's ontwikkelden wegwerpchips om deze beperkingen te overwinnen. De chip bevat microfluïdische kanalen die speciaal zijn ontworpen voor het kweken van cellen en de introductie van kweekmedia, medicijnen en andere biologische moleculen. De chip heeft een ultradunne glazen bodem die de afstand tussen de cellen en de contactsensor eronder minimaliseert. Een CMOS-beeldsensor detecteert de fluorescentie die door de cellen wordt uitgezonden, verandert het in een elektronisch signaal en reconstrueert vervolgens het beeld.

Om de effectiviteit van hun systeem aan te tonen, de onderzoekers kweekten cellen met fluorescerende kleurstoffen in hun kernen in de microkanalen. Toen ze cellen blootstelden aan endotheliale groeifactor (EGF), die celproliferatie veroorzaakt, de kweken gaven een intenser fluorescentiesignaal af dan kweken die niet met EGF waren behandeld, wat aangeeft dat de sensor celgroei heeft gedetecteerd.

De auteurs erkennen dat het on-chip fluorescentiemicroscopieplatform beelden oplevert met een slechtere ruimtelijke resolutie dan die van conventionele fluorescentiemicroscopen, maar biedt het voordeel dat het compatibel is met volledig geautomatiseerde systemen. De kleine omvang en betaalbaarheid van het platform maken het ook aantrekkelijk voor gebruik in implanteerbare apparaten voor het meten van glucose of zelfs hersenactiviteit.

Bij toekomstig werk, Takehara is van plan het gebruik van het platform voor het monitoren van stamcelproductie voor gebruik in regeneratieve geneeskunde en voor het screenen van nieuwe medicijnen te onderzoeken.

"De buitensporige kosten van het ontwikkelen van nieuwe farmaceutische geneesmiddelen en de dringende behoefte aan [betaalbare] screeningtechnologie is een dringend probleem geworden, " zei Takehara. "Een volledig geautomatiseerd systeem, van monsterbehandeling tot detectie, zonder de noodzaak van goed opgeleide technici is een sleuteltechnologie, en speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van op cellen gebaseerde, kosteneffectieve screening."