Baanbrekende lab-on-a-chip-technologie die onthult hoe menselijke cellen communiceren, kan leiden tot nieuwe behandelingen voor kanker en auto-immuunziekten.

Ontwikkeld door een Australisch-Zwitsers onderzoeksteam, de technologie biedt onderzoekers ongekende inzichten in hoe individuele cellen zich gedragen - iets waarvan wetenschappers ontdekken dat het veel complexer is dan eerder werd gedacht.

De onderzoekers van RMIT University, École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Ludwig Institute for Cancer Research in Lausanne hebben hun krachten gebundeld om een ​​miniatuurbiosensor te bouwen waarmee wetenschappers afzonderlijke cellen kunnen isoleren, analyseer ze in realtime en observeer hun complexe signaalgedrag zonder hun omgeving te storen.

Voorname professor Arnan Mitchell, Directeur van de MicroNano-onderzoeksfaciliteit van RMIT, zei dat eencellige analyse veelbelovend was voor het ontwikkelen van nieuwe behandelingen voor ziekten, maar een gebrek aan effectieve analysetechnologieën hield onderzoek in het veld tegen.

"We weten veel over hoe groepen cellen communiceren om ziekten te bestrijden of te reageren op infecties, maar we moeten nog veel leren over individuele cellen, ' zei Mitchel.

"Studies hebben onlangs aangetoond dat je twee cellen van hetzelfde type kunt nemen en ze dezelfde behandeling kunt geven, maar ze zullen heel anders reageren.

"We weten niet genoeg over de onderliggende mechanismen om te begrijpen waarom dit gebeurt en we hebben niet de juiste technologieën om wetenschappers te helpen erachter te komen.

"Onze oplossing voor deze uitdaging is een compleet pakket:een geïntegreerde optofluïdische biosensor die afzonderlijke cellen kan isoleren en de chemicaliën die ze produceren in realtime gedurende ten minste 12 uur kan volgen.

"Het is een krachtig nieuw hulpmiddel dat ons een dieper fundamenteel begrip van celcommunicatie en -gedrag zal geven. Deze inzichten zullen de weg vrijmaken om radicaal nieuwe methoden te ontwikkelen voor het diagnosticeren en behandelen van ziekten."

Menselijke cellen communiceren op complexe en dynamische manieren dat er iets mis is, produceren verschillende chemische stoffen die aan andere cellen signaleren wat ze moeten doen. Wanneer een infectie wordt gedetecteerd, bijvoorbeeld, witte bloedcellen zullen in actie komen en speciale eiwitten vrijgeven om de indringers te bestrijden en te elimineren.

Begrijpen hoe individuele cellen op elkaar inwerken en communiceren is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van nieuwe therapieën voor ernstige ziekten, om de kracht van het eigen immuunsysteem van het lichaam beter te benutten of om defecte cellen precies aan te pakken.

In een paper gepubliceerd in het high-impact tijdschrift Klein , het onderzoeksteam laat zien hoe de technologie kan worden gebruikt om de secretie van cytokinen uit afzonderlijke lymfoomcellen te onderzoeken.

Cytokinen zijn kleine eiwitten die door een breed scala aan cellen worden geproduceerd om met andere cellen te communiceren, en het is bekend dat ze een belangrijke rol spelen bij reacties op infecties, immuunstoornissen, ontsteking, sepsis en kanker.

Uit de studie bleek dat de lymfoomcellen op verschillende manieren cytokine produceerden, uniek voor elke cel, waardoor onderzoekers de "afscheidingsvingerafdrukken" van elke cel kunnen bepalen.

"Als we een duidelijk beeld kunnen krijgen van dit gedrag, dit zou ons helpen goede cellen van slechte te scheiden en ons in staat stellen om op een dag behandelingen te ontwikkelen die precies op die slechte cellen zijn gericht, ' zei Mitchel.

Hoe het werkt

De biosensor is de nieuwste aanpassing van microfluïdische lab-on-a-chip-technologie die is ontwikkeld in de MicroNano Research Facility van RMIT.

Een microfluïdische chip bevat kleine kanaaltjes, pompen en processors, waardoor nauwkeurige en flexibele manipulatie van vloeistoffen mogelijk is. Eigenlijk, microfluïdica doet voor vloeistoffen wat micro-elektronica doet voor informatie:enorme hoeveelheden kleine verwerkingselementen integreren in een kleine chip die draagbaar is, snel en kan snel en efficiënt worden geproduceerd.

De nieuwe kosteneffectieve en schaalbare technologie is lichtgewicht en draagbaar, microfluïdica combineren met nanofotonica.

Compatibel met traditionele microscopen, de biosensor is een dun glasplaatje bedekt met een gouden film, geperforeerd met miljarden minuscule nanogaatjes gerangschikt in een specifiek patroon. Deze nanogaten laten een enkele kleur licht door, vanwege een optisch fenomeen dat bekend staat als het plasmonische effect.

Door de uitgezonden kleur te observeren, onderzoekers kunnen de aanwezigheid van minuscule hoeveelheden specifieke chemicaliën op een objectglaasje bepalen zonder externe labels. Deze detectiemethode maakt een continue monitoring van de chemicaliën die uit een enkele cel worden geproduceerd in realtime mogelijk.

De nanofotonische sensor is gekoppeld aan een microfluïdische geïntegreerde schakeling met vloeistofkanalen ter grootte van een mensenhaar. Het circuit bevat kleppen om de cel te isoleren en de secreties ervan te concentreren, en systemen om de temperatuur en vochtigheid te regelen om de cel in stand te houden.

Het werk is een samenwerking tussen het laboratorium van Bionanophotonic Systems bij EPFL, Zwitserland, het Integrated Photonics and Applications Center in de School of Engineering van RMIT en Ludwig Institute for Cancer Research, Zwitserland.

De microfluïdische chips van RMIT zijn van cruciaal belang geweest bij het mogelijk maken van onderzoek op een groot aantal gebieden, van het monitoren van de waterkwaliteit tot de ontwikkeling van point-of-care-bloedonderzoeken voor vermoedelijke hartaanvallen die resultaten kunnen opleveren terwijl een patiënt nog in een ambulance ligt.