Forskere udviklede enkeltcelleniveau sorteringsteknologi ved hjælp af lydbølger

Lydbølger muliggør fornemmelsen af ​​hørelse, og er en vigtig måde at kommunikere på i dyrenes verden. I fysik, lyd betragtes som en mekanisk vibration, der kan forplante sig i gasser, væsker og faste stoffer. Et forskerhold fra Singapore University of Technology and Design (SUTD), ledet af adjunkt Dr. Ye Ai, studerer interaktionerne mellem ultralyd (ud over den hørbare grænse for menneskelig hørelse) og objekter i mikronstørrelse (f.eks. biologiske celler) suspenderet i vandige opløsninger. Dr. Ais forskerhold udviklede for nylig en meget præcis enkeltcelleniveausorteringsteknologi ved hjælp af en højt fokuseret lydbølgestråle (50 μm bred ca. ¼ af et enkelt menneskehårs diameter). Denne nye cellemanipulationsteknologi muliggør meget nøjagtig isolering af sjældne cellepopulationer i komplekse biologiske prøver. Mere kortfattet, det giver mulighed for at finde en enkelt celle i en million.

Enkeltcelleanalyse, for eksempel evnen til at undersøge DNA-mutationer på enkeltcelleniveau, er afgørende for at vurdere kræftens genetiske heterogenitet blandt forskellige patienter, og rummer således et stort potentiale for at komme videre mod præcisionsmedicin til kræftbehandling. Nøglen til implementering af enkeltcelleanalyse er evnen til at isolere enkeltceller fra meget heterogene biologiske prøver. Ifølge en nylig markedsanalyse udført af Markets and Markets Research Pte Ltd. den globale markedsstørrelse for cellesortering er USD 3,57 milliarder i 2016 og forventes at nå USD 7,89 milliarder i 2021 med en sammensat årlig vækstrate (CAGR) på 17,2 %. Asien forventes at være det hurtigst voksende marked i de næste fem år på grund af stigende offentlige investeringer i bioteknologi og sundhedssektoren.

I øjeblikket, sortering og isolering af sjældne cellepopulationer udføres typisk ved hjælp af et fluorescensaktiveret cellesorteringssystem (FACS), en teknologi udviklet for næsten 60 år siden. Imidlertid, nuværende FACS-systemer er komplekse, omfangsrig, og dyrt, kræver højt uddannet personale til drift, og kan producere biofarlige aerosoler i åbne miljøer. Mikrofluidikteknologi, der er i stand til præcis cellemanipulation, har et stort potentiale til at genopfinde næste generations cellesorteringsteknologi.

I denne forskning, Dr. Ais team designede og byggede et akustisk sorteringssystem, der inkluderede en engangs mikrofluidisk kanal, en genanvendelig lydbølgegenerator og et fluorescensdetektionsmodul. Målceller med fluorescerende mærker, der er specifikke for deres overfladebiomarkører, kan genkendes af fluorescensdetektionsmodulet. Ved påvisning af en enkelt målcelle, systemet aktiverer lydbølgegeneratoren for at producere en pulseret højt fokuseret lydbølgestråle, der hurtigt kan afbøje målcellen til opsamlingsudgangen. Lydbølgestrålen med en bredde på 50 μm er stærkt lokaliseret, muliggør nøjagtig sortering på enkeltcelleniveau.

Ledende efterforsker, Dr. Ai sagde:"Sammenlignet med konventionelle FACS-systemer, fordelene ved denne cellesorteringsteknologi inkluderer en væsentligt forenklet sorteringsmekanisme, der formindsker instrumentets størrelse, reducerer dets kompleksitet og reducerer omkostningerne væsentligt. Ikke kun det, men det muliggør også mere nøjagtig enkeltcelleniveausortering og efterlader ingen skade på målcellerne, fordi lydbølger er meget mildere end elektriske felter, der i vid udstrækning anvendes i konventionelle FACS-systemer."

Denne nye cellesorteringsteknologi er blevet offentliggjort i Lab on a Chip , et top-tier journal fokuseret på forskning i innovative enheder og applikationer på mikro- og nanoskala. To SUTD-kandidatstuderende (Zhichao Ma og Yinning Zhou) og en postdoc-forsker (David Collins) deltog i dette projekt.

Dr. Ais team har udviklet og demonstreret et fuldt funktionelt laboratorieprototypesystem, og søger i øjeblikket tilskud til at kommercialisere denne teknologi som en bænk-instrumentering, der har en bred anvendelse i biologisk forskning, klinisk diagnose og cellebaseret behandling.