Forskere udvikler en hurtig, automatiseres, chip-baseret platform til at analysere levende celler

Fluorescensmikroskopi giver forskere utrolig kraft til at oplyse de mindste strukturer og fange de levende cellers aktiviteter i realtid ved at mærke biologiske molekyler med en veritabel regnbue af fluorescerende farvestoffer. Denne kraft har en pris:Teknologien kan være dyr og tidskrævende, og indtil nu, har modsat sig forsøg på automatisering.

Denne situation kan dog ændre sig, med introduktionen af ​​mikrofluid-chip-baserede platforme. En sådan nyudviklet platform er blevet udviklet af et hold japanske forskere. Deres system gør det muligt for forskere hurtigt at afbilde fluorescerende celler dyrket inde i chippen ved hjælp af en CMOS-billedsensor, den samme teknologi, som findes i kameraet på en smartphone. Det nye system, beskrevet i denne uge i AIP fremskridt , har adskillige potentielle anvendelser i biomedicinsk forskning.

"Konventionelle optiske mikroskoper af bordpladetypen er kraftfulde værktøjer for forskere, men de er ikke rigtig tilstrækkelige til fuldautomatiske systemer på grund af omkostningerne og nødvendigheden af ​​veluddannede teknikere, " sagde Hiroaki Takehara, der forsker i automatiserede cellebehandlingsenheder ved Tokyos universitet og er en af ​​undersøgelsens forfattere.

At udvikle et on-chip system, han slog sig sammen med medforfatter Jun Ohta fra Nara Institute of Science and Technology, en ekspert i CMOS billedsensorteknologi.

Andre grupper har tidligere udviklet chip-baserede fluorescerende mikroskopisystemer, men disse opsætninger krævede, at prøven sad direkte på billedsensorchippen, hvilket medfører risiko for krydskontaminering. Disse systemer kan ikke være virkelig højkapacitet, fordi sensorchipsene skal vaskes mellem brug.

Takehara og kolleger udviklede engangschips for at overvinde disse begrænsninger. Chippen indeholder mikrofluidkanaler, der er specielt designet til dyrkning af celler og introduktion af dyrkningsmedier, lægemidler og andre biologiske molekyler. Chippen har en ultratynd glasbund, der minimerer afstanden mellem cellerne og kontaktsensoren nedenunder. En CMOS-billedsensor registrerer den fluorescens, der udsendes af cellerne, gør det til et elektronisk signal og rekonstruerer derefter billedet.

For at demonstrere effektiviteten af ​​deres system, forskerne dyrkede celler, der indeholdt fluorescerende farvestoffer i deres kerner i mikrokanalerne. Når de udsatte celler for endotelvækstfaktor (EGF), som forårsager celleproliferation, kulturerne afgav et mere intenst fluorescenssignal end kulturer, der ikke blev behandlet med EGF, hvilket indikerer, at sensoren detekterede cellevækst.

Forfatterne anerkender, at on-chip fluorescensmikroskopiplatformen giver billeder med dårligere rumlig opløsning end konventionelle fluorescensmikroskoper, men tilbyder fordelen ved at være kompatibel med fuldautomatiske systemer. Platformens lille størrelse og overkommelige pris gør den også attraktiv til brug i implanterbare enheder til måling af glukose eller endda hjerneaktivitet.

I det fremtidige arbejde, Takehara planlægger at udforske brugen af ​​platformen til overvågning af stamcelleproduktion til brug i regenerativ medicin og til screening af nye lægemidler.

"De alt for store omkostninger ved at udvikle nye farmaceutiske lægemidler og det presserende behov for [overkommelig] screeningsteknologi er blevet et presserende problem, " sagde Takehara. "Et fuldt automatiseret system, fra prøvehåndtering til detektion, uden nødvendigheden af ​​veluddannede teknikere er en nøgleteknologi, og spiller en central rolle i udviklingen af ​​cellebaseret omkostningseffektiv screening."