Cellchat:Angribe sygdom ved at lære cellernes sprog

Banebrydende lab-on-a-chip teknologi, der afslører, hvordan menneskelige celler kommunikerer, kan føre til nye behandlinger for kræft og autoimmune lidelser.

Udviklet af et australsk-schweizisk forskerhold, teknologien giver forskerne hidtil uset indsigt i, hvordan individuelle celler opfører sig - noget, som forskerne opdager, er langt mere komplekst end tidligere antaget.

Forskerne fra RMIT University, École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) og Ludwig Institute for Cancer Research i Lausanne gik sammen om at bygge en miniature biosensor, der gør det muligt for forskere at isolere enkeltceller, analysere dem i realtid og observere deres komplekse signaladfærd uden at forstyrre deres omgivelser.

Den fremtrædende professor Arnan Mitchell, Direktør for RMITs MicroNano Research Facility, nævnte enkeltcelleanalyse holdt meget lovende for udvikling af nye behandlinger for sygdomme, men mangel på effektive analyseteknologier holdt forskningen på området tilbage.

"Vi ved meget om, hvordan grupper af celler kommunikerer for at bekæmpe sygdom eller reagerer på infektioner, men vi har stadig meget at lære om individuelle celler, " sagde Mitchell.

"Undersøgelser har for nylig vist, at man kan tage to celler af samme type og give dem den samme behandling, men de vil reagere meget forskelligt.

"Vi ved ikke nok om de underliggende mekanismer til at forstå, hvorfor dette sker, og vi har ikke de rigtige teknologier til at hjælpe videnskabsmænd med at finde ud af det.

"Vores løsning på denne udfordring er en komplet pakke - en integreret optofluidisk biosensor, der kan isolere enkeltceller og overvåge de kemikalier, de producerer i realtid over mindst 12 timer.

"Det er et kraftfuldt nyt værktøj, der vil give os en dybere grundlæggende forståelse af cellekommunikation og adfærd. Disse indsigter vil åbne vejen for at udvikle radikalt nye metoder til diagnosticering og behandling af sygdom."

Menneskeceller kommunikerer, at noget er galt på komplekse og dynamiske måder, producerer forskellige kemiske stoffer, der signalerer til andre celler, hvad de skal gøre. Når en infektion opdages, for eksempel, hvide blodlegemer vil springe i gang og frigive specielle proteiner for at bekæmpe og eliminere ubudne gæster.

At forstå, hvordan individuelle celler interagerer og kommunikerer, er afgørende for at udvikle nye terapier til alvorlige sygdomme, for bedre at udnytte kraften i kroppens eget immunsystem eller præcist målrette mod defekte celler.

I et papir offentliggjort i det højtydende tidsskrift Lille , forskerholdet demonstrerer, hvordan teknologien kan bruges til at undersøge udskillelsen af ​​cytokiner fra enkelte lymfomceller.

Cytokiner er små proteiner produceret af en bred vifte af celler for at kommunikere til andre celler, og de vides at spille en vigtig rolle i reaktionerne på infektion, immunforstyrrelser, betændelse, sepsis og kræft.

Undersøgelsen fandt, at lymfomcellerne producerede cytokin på forskellige måder, unikke for hver celle, gør det muligt for forskere at bestemme hver celles "sekretionsfingeraftryk".

"Hvis vi kan opbygge et klart billede af denne adfærd, dette ville hjælpe os med at sortere gode celler fra dårlige og sætte os i stand til en dag at udvikle behandlinger, der netop retter sig mod netop de dårlige celler, " sagde Mitchell.

Hvordan det virker

Biosensoren er den seneste tilpasning af mikrofluidisk lab-on-a-chip teknologi udviklet i RMITs MicroNano Research Facility.

En mikrofluid -chip indeholder små kanaler, pumper og processorer, muliggør præcis og fleksibel manipulation af væsker. I det væsentlige, mikrofluidik gør for væsker, hvad mikroelektronik gør for information - integrerer enorme mængder af bittesmå behandlingselementer i en lille chip, der er bærbar, hurtigt og kan produceres hurtigt og effektivt.

Den nye omkostningseffektive og skalerbare teknologi er let og bærbar, at kombinere mikrofluidik med nanofotonik.

Kompatibel med traditionelle mikroskoper, biosensoren er et tyndt objektglas belagt med en guldfilm, perforeret med milliarder af små nanohuller arrangeret i et bestemt mønster. Disse nanohuller transmitterer en enkelt farve af lys, på grund af et optisk fænomen kendt som den plasmoniske effekt.

Ved at observere den transmitterede farve, forskere kan bestemme tilstedeværelsen af ​​små mængder af specifikke kemikalier på et objektglas uden nogen eksterne etiketter. Denne detektionsmetode muliggør kontinuerlig overvågning af kemikalier produceret fra en enkelt celle i realtid.

Den nanofotoniske sensor er koblet til et mikrofluidisk integreret kredsløb med væskekanaler på størrelse med et menneskehår. Kredsløbet inkluderer ventiler til at isolere cellen og koncentrere dens sekreter, og systemer til regulering af temperatur og fugtighed for at opretholde cellen.

Arbejdet er et samarbejde mellem laboratoriet for Bionanophotonic Systems ved EPFL, Schweiz, det integrerede fotonik- og applikationscenter på School of Engineering ved RMIT og Ludwig Institute for Cancer Research, Schweiz.

RMIT mikrofluidchips har været afgørende for at muliggøre forskning på tværs af en række områder - fra vandkvalitetsovervågning til udvikling af point-of-care blodprøver for formodede hjerteanfald, der kunne levere resultater, mens en patient stadig er i en ambulance.