Hvordan et ikonisk fotografi af et æble inspirerede til en forbedret cellulær analyse

Det er vanskeligt at identificere et lille antal patogene celler blandt mange millioner celler. Forskere ved ETH Zürich har nu udviklet en teknologi, der er i stand til at identificere enorme mængder af celleegenskaber i lille skala, individuelt og detaljeret.

Alle livsprocesser hos mennesker, dyr og planter er afhængige af cellulær aktivitet. Den menneskelige krop alene indeholder mere end 210 celletyper med specifikke egenskaber og funktioner, der påvirker udvikling og sundhed. En detaljeret forståelse af disse celler og deres egenskaber er afgørende for biologi og medicin. Imidlertid, filtrering af den efterspurgte celleinformation er nogle gange en enorm udfordring – især hvis, ud af en million celler, færre end et dusin har den egenskab, der udløser en sygdom.

En etableret metode i kemi, biologi og medicin til hurtigt at bestemme egenskaberne af et stort antal individuelle celler er flowcytometri. Denne cellemålingsteknologi kan bruges, for eksempel, at identificere kræftceller eller T-celler, de hvide blodlegemer, der er vigtige for immunforsvaret.

Teknologien blev opfundet i 1968, med konventionelle flowcytometre, der normalt måler spredt lys og fluorescens, når celler strømmer gennem en laserstråle. De resulterende signaler varierer afhængigt af størrelsen, form, struktur og farve af cellerne; for eksempel, T-celler er meget glatte og spreder mindre lys end andre celler.

En god kombination

Forskergruppen ledet af Andrew deMello, ETH professor i biokemisk teknik, er det nu lykkedes at udvikle flowcytometri væsentligt yderligere. Dens billeddannelsesbaserede cytometriplatform måler celler og deres egenskaber hurtigere, i større mængder og langt mere præcist end nutidens flowcytometre. ETH Zürich-forskerne har nu præsenteret deres metodes virkemåde i det videnskabelige tidsskrift Chem .

Forskerne har ikke genopfundet tilgangen, men temmelig smart kombinerede eksisterende teknologier:deres flowcytometer kombinerer mikrofluidikkens muligheder, som studerer væskes adfærd gennem mikrokanaler, med meget følsomme optiske detektionsmetoder og ultrahurtig billeddannelse.

Dette giver dem mulighed for at opnå en ultrahøj gennemstrømning på mere end 50, 000 celler i sekundet. Standard fluorescerende-baserede flowcytometre måler pålideligt mellem 100 og 20, 000 celler i sekundet, og billeddannende flowcytometre kun op til 4, 000 celler i sekundet. I praksis, imidlertid, det er normalt sådan, at der måles væsentligt færre celler, da de normalt klumper sig sammen.

"Vi udvikler teknologier til at hjælpe kemikere, biologer og medicinske specialister udfører ny forskning, " siger deMello. Han forventer, at platformen en dag også bliver enklere og meget billigere end nutidens instrumenter.

I princippet, deres flowcytometer består af tre dele:ved starten, cellerne er opstillet tæt i en enkelt fil. En mikrofluidisk strøm leder dem derefter gennem en serpentin-mikrokanal (se tegningen ovenfor) og ind i detektionsområdet med høj hastighed. der, et kamera med høj opløsning registrerer deres størrelse, form og struktur ved hjælp af lyseffekterne. I et sidste trin, de kan sorteres efter deres egenskaber.

Snapshots på loops

Et særligt træk ved denne tilgang er, at cellerne passerer gennem flere parallelle sløjfer, som gør det muligt for kameraet at optage et stort antal celler med præcision. Dette fremskynder deMellos metode, og tillader drift ved exceptionelt høje gennemløb. "Kombinationen af ​​mikrovæsker med billedbehandling muliggør forbedring af information, " siger han. I konventionelle tilgange, i modsætning, en detektor registrerer den ene celle efter den anden på et bestemt punkt.

Tre typer billeder kan opnås med denne teknologi:mørkefeltsbilleder med information om formen og strukturen af ​​en celle (disse billeder viser farvede strukturer mod en mørk baggrund), lysfeltbilleder med information om cellestørrelsen og fluorescerende billeder med information om en celles udseende og indre struktur. Især udvindingen af ​​morfologisk information adskiller deMellos tilgang fra andre fluorescerende eller mikrofluidbaserede tilgange.

Billedbehandling som Papa Flash

Da de stødte på et problem, deMellos gruppe nød godt af mange års erfaring med dråbebaseret mikrofluidik og optiske metoder:når dråber, celler eller mikropartikler flyder meget hurtigt, billederne – som med fotografier – bliver nogle gange forvrængede eller slørede. Forskergruppen løste dette problem ved at lære af fortiden:at blotlægge cellerne, de brugte stroboskopisk belysning, der nedbryder den kontinuerlige strøm af celler – som et slowmotion-kamera – til en sekvens af stillbilleder. Denne metode blev verdensberømt takket være opfinderen af ​​stroboskopflashen, Harold E. Edgerton, også kendt som Papa Flash, hvis kultbilleder fra 1960'erne blev set rundt om i verden.

Takket være stroboskopisk eksponering, individuelle celler, der bevæger sig med en halv meter i sekundet og i store mængder, kan tydeligt registreres.

For at teste effektiviteten af ​​deres metode, deMello's senior videnskabsmand, Stavros Stavrakis, sammen med to kandidatstuderende analyseret en stor cellepopulation og differentieret levende, døende og døde celler på baggrund af deres fluorescens. ETH Zürich-forskerne vil gerne videreudvikle metoden med henblik på bakteriel, nanovidenskabelige og industrielle anvendelser.