Identificar una pequeña cantidad de células patógenas entre muchos millones de células es complicado. Los investigadores de ETH Zurich ahora han desarrollado una tecnología que es capaz de identificar enormes cantidades de propiedades celulares a pequeña escala. individualmente y en detalle.

Todos los procesos de la vida en humanos, los animales y las plantas dependen de la actividad celular. El cuerpo humano por sí solo contiene más de 210 tipos de células con propiedades y funciones específicas que influyen en el desarrollo y la salud. Una comprensión detallada de estas células y sus propiedades es fundamental para la biología y la medicina. Sin embargo, Filtrar la información celular buscada es a veces un desafío inmenso, particularmente si, de un millón de células, menos de una docena tienen la propiedad de desencadenar una enfermedad.

Un método establecido en química, biología y medicina para determinar rápidamente las propiedades de un gran número de células individuales es la citometría de flujo. Esta tecnología de medición de células se puede utilizar, por ejemplo, para identificar células cancerosas o células T, esos glóbulos blancos importantes para el sistema de defensa inmunológico.

La tecnología fue inventada en 1968, con citómetros de flujo convencionales que normalmente miden la luz dispersa y la fluorescencia cuando las células fluyen a través de un rayo láser. Las señales resultantes varían según el tamaño, forma, estructura y color de las células; por ejemplo, Las células T son muy suaves y dispersan menos luz que otras células.

Una buena combinación

El grupo de investigación dirigido por Andrew deMello, Profesor ETH de Ingeniería Bioquímica, ahora ha logrado desarrollar significativamente más la citometría de flujo. Su plataforma de citometría basada en imágenes mide las células y sus propiedades más rápidamente, en mayores cantidades y con mucha más precisión que los citómetros de flujo actuales. Los investigadores de ETH Zurich han presentado ahora el funcionamiento de su método en la revista científica. Chem .

Los investigadores no han reinventado el enfoque, sino una combinación inteligente de las tecnologías existentes:su citómetro de flujo combina las capacidades de los microfluidos, que estudia el comportamiento de los fluidos a través de microcanales, con métodos de detección óptica de alta sensibilidad e imágenes ultrarrápidas.

Esto les permite lograr un rendimiento ultra alto de más de 50, 000 células por segundo. Los citómetros de flujo estándar basados ​​en fluorescencia miden de manera confiable entre 100 y 20, 000 células por segundo, y citómetros de flujo de imágenes solo hasta 4, 000 células por segundo. En la práctica, sin embargo, Normalmente ocurre que se miden un número significativamente menor de células, ya que normalmente se agrupan.

"Estamos desarrollando tecnologías para ayudar a los químicos, biólogos y médicos especialistas realizan nuevas investigaciones, "dice deMello. Él espera que la plataforma algún día también sea más simple y mucho más barata que los instrumentos actuales.

En principio, su citómetro de flujo consta de tres partes:al principio, las celdas están alineadas estrechamente en un solo archivo. Luego, un flujo de microfluidos los guía a través de un microcanal en forma de serpentina (vea el dibujo de arriba) y hacia el área de detección a alta velocidad. Allí, una cámara de alta resolución registra su tamaño, forma y estructura utilizando los efectos de luz. En un paso final, se pueden clasificar según sus propiedades.

Instantáneas en bucles

Una característica especial de este enfoque es que las células pasan por varios bucles paralelos, lo que permite que la cámara registre un gran número de células con precisión. Esto acelera el método de deMello, y permite la operación a rendimientos excepcionalmente altos. "La combinación de microfluidos con imágenes permite mejorar la información, ", dice. En los enfoques convencionales, a diferencia de, un detector registra una celda tras otra en un punto específico.

Se pueden obtener tres tipos de imágenes con esta tecnología:imágenes de campo oscuro con información sobre la forma y estructura de una celda (estas imágenes muestran estructuras coloreadas sobre un fondo oscuro), imágenes de campo claro con información sobre el tamaño de la célula e imágenes fluorescentes con información sobre el aspecto y la estructura interna de una célula. La extracción de información morfológica en particular distingue el enfoque de deMello de otros enfoques basados ​​en fluorescentes o microfluidos.

Imaginando como Papa Flash

Cuando se encontraron con un problema, El grupo de deMello se benefició de los años de experiencia en microfluidos basados ​​en gotas y métodos ópticos:cuando las gotas, las células o micropartículas fluyen muy rápidamente, las imágenes, como ocurre con las fotografías, a veces se distorsionan o se vuelven borrosas. El grupo de investigación resolvió este problema aprendiendo del pasado:exponer las células, utilizaron iluminación estroboscópica que descompone el flujo continuo de células, como una cámara en cámara lenta, en una secuencia de imágenes fijas. Este método se hizo mundialmente famoso gracias al inventor del flash estroboscópico, Harold E. Edgerton, también conocido como Papa Flash, cuyas fotos de culto de la década de 1960 se vieron en todo el mundo.

Gracias a la exposición estroboscópica, Las células individuales que se mueven a medio metro por segundo y en grandes cantidades se pueden registrar claramente.

Para probar el rendimiento de su método, científico senior de deMello, Stavros Stavrakis, junto con dos estudiantes de posgrado analizaron una gran población celular y una vida diferenciada, células moribundas y muertas sobre la base de su fluorescencia. Los investigadores de ETH Zurich quisieran seguir desarrollando el método con miras a bacterias, Aplicaciones nanocientíficas e industriales.