Come un'immagine leggendaria della mela ha stimolato il miglioramento dell'analisi delle cellule

Tutti i processi vitali nell'uomo, negli animali e nelle piante dipendono dall'attività delle cellule. Il corpo umano, da solo, comprende Chi siamo, 210 tipi di cellule con proprietà e funzioni specifiche che ne influenzano lo sviluppo e la salute. Conoscere nel dettaglio ogni singola cellula e le sue proprietà è una base importante per la biologia e la medicina. Filtrare le informazioni sulle cellule che si stanno cercando è a volte una sfida enorme, soprattutto quando poco meno di una dozzina di cellule su un milione hanno la proprietà che scatena una malattia.

La citometria a flusso è un metodo collaudato e utilizzato in chimica, biologia e medicina per determinare le proprietà di singole cellule in modo rapido e in gran numero. Questa tecnologia di misurazione cellulare può essere utilizzata, ad esempio, per determinare le cellule tumorali o le cellule T, i globuli bianchi importanti per la difesa immunitaria.

Inventati nel 1968, i citometri a flusso convenzionali misurano normalmente la luce diffusa e la fluorescenza quando le cellule scorrono attraverso un raggio laser. I segnali risultanti variano a seconda delle dimensioni, della forma, della struttura o del colore delle cellule. Le cellule T, ad esempio, sono molto lisce e diffondono meno luce di altre.

Ben combinato

Il gruppo di ricerca di Andrew deMello, l'ETH Professor of Biochemical Engineering, è riuscito a far progredire in modo significativo la citometria a flusso. La loro piattaforma di citometria basata sulle immagini misura le cellule e le loro proprietà più velocemente, in quantità maggiori e con maggiore precisione rispetto agli attuali citometri a flusso. I ricercatori del Fare ricerca all'ETH hanno appena spiegato il funzionamento del metodo nella rivista scientifica "Chem".

I ricercatori non hanno reinventato l'approccio. Piuttosto, hanno combinato abilmente le tecnologie esistenti: Il loro citometro a flusso combina le possibilità della microfluidica, che esamina il comportamento di piccole quantità di liquidi negli spazi più ridotti, con metodi di rilevamento ottico altamente sensibili e immagini ultraveloci.

Questo permette di raggiungere una produttività elevatissima di 50.000 cellule al secondo. I citometri a flusso a fluorescenza disponibili in commercio misurano in modo affidabile tra 100 e 20.000 cellule al secondo; i citometri a flusso microfluidici misurano solo fino a 4.000 cellule al secondo. In pratica, tuttavia, viene misurato un numero notevolmente inferiore di cellule, che altrimenti si raggrupperebbero.

"Stiamo sviluppando tecnologie per consentire a chimici, biologi e medici di condurre nuove ricerche", dice deMello. Egli spera che in futuro la sua piattaforma sarà anche più semplice e molto più economica delle apparecchiature odierne.

In linea di principio, il suo citometro a flusso è composto da tre parti: all'inizio, le cellule sono allineate strettamente una dietro l'altra. Un flusso di microfluidi le guida poi attraverso un microcanale a serpentina (vedi disegno sopra) fino all'area di rilevamento. Qui, una telecamera ad alta risoluzione registra le dimensioni, la forma e la struttura delle cellule in base agli effetti della luce. Infine, possono essere ordinati in base alle loro proprietà.

Istantanee su loop

Una caratteristica fondamentale dell'approccio è che le cellule percorrono diversi cicli paralleli. Ciò consente alla telecamera di registrare con precisione un gran numero di cellule. Ciò accelera il processo di deMello e consente di effettuare una produzione eccezionalmente elevata. "La combinazione di microfluidica e imaging consente di arricchire le informazioni", spiega. Negli approcci convenzionali, invece, un rilevatore registra una cellula alla volta in un punto specifico.

Con questa tecnologia si possono ottenere tre tipi di immagini: Immagini in campo scuro con informazioni sulla forma e sulla struttura di una cellula (queste immagini mostrano strutture colorate su uno sfondo scuro), immagini in campo chiaro con informazioni sulle dimensioni della cellula e immagini di colore chiaro con informazioni sull'aspetto e sulla struttura interna di una cellula. L'acquisizione di informazioni morfologiche, in particolare, distingue l'approccio di deMello da altri approcci basati sulla fluorescenza o sui microfluidi.

Immagini come "Papa Flash"

Un problema di cui il gruppo di deMello ha beneficiato grazie alla sua pluriennale esperienza nella microfluidica e nei metodi ottici basati sulle gocce: quando le gocce, le cellule o le minuscole particelle scorrono molto velocemente, le immagini risultano talvolta distorte e sfocate, come nel caso delle fotografie.

Il gruppo di ricerca ha preso la soluzione al problema dalla storia: per esporre le cellule, ha utilizzato l'esposizione stroboscopica, che scompone il flusso continuo di cellule - come al rallentatore - in una sequenza di immagini fisse. Questo metodo è diventato famoso in tutto il mondo grazie all'inventore del dispositivo flash stroboscopico, Harold E. Edgerton, noto anche come "Papa Flash". Le sue foto cult degli anni '60 hanno fatto il giro del mondo.

Grazie all'illuminazione stroboscopica, è possibile catturare in modo nitido singole cellule che si muovono a mezzo metro al secondo e in grandi quantità.

Per testare l'efficienza del metodo, il collaboratore di deMello, Stavros Stavrakis, e due studenti hanno analizzato un'ampia popolazione di cellule e hanno differenziato tra cellule vive, morenti e morte in base alla loro fluorescenza. In una fase successiva, i ricercatori del Fare ricerca all'ETH intendono sviluppare ulteriormente il metodo in vista di applicazioni batteriche, nanoscientifiche e industriali.