02 april 2024 (Nanowerk-schijnwerper) Microfluïdica, de technologie voor het nauwkeurig controleren van vloeistoffen op submillimeterschaal, houdt al lang de belofte in van een revolutie in biologisch onderzoek en medische diagnostiek. Door analyses te miniaturiseren tot kleine water-in-oliedruppeltjes, kunnen deze platforms individuele cellen met ongekende snelheid en efficiëntie analyseren, terwijl de reagenskosten drastisch worden verlaagd. Elke druppel op picoliterschaal dient als een geïsoleerde microreactor, waardoor studies met hoge doorvoer van cellulair gedrag mogelijk zijn en diverse toepassingen mogelijk zijn, van screening van geneesmiddelen tot analyse van zeldzame cellen. Het ontsluiten van het volledige potentieel van druppelmicrofluïdica wordt echter belemmerd door de uitdaging om de inhoud van deze minuscule compartimenten snel en uitgebreid te analyseren. Conventionele benaderingen zijn gebaseerd op complexe en dure microscopie-opstellingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van hogesnelheidscamera's om elke druppel in beeld te brengen terwijl deze door het apparaat stroomt. De technische complexiteit en hoge kosten die met dergelijke systemen gepaard gaan, hebben de wijdverbreide acceptatie van op druppeltjes gebaseerde technieken in onderzoek en klinische omgevingen beperkt. Nu heeft een multidisciplinair team van wetenschappers OptiDrop ontwikkeld, een innovatief apparaat dat op ingenieuze wijze deze beperkingen overwint door optische vezels rechtstreeks in een microfluïdische chip te integreren. Deze nieuwe aanpak maakt de detectie mogelijk van meerdere optische parameters van individuele druppels en hun inhoud zonder afhankelijk te zijn van een microscoop of camera. Het resultaat, gerapporteerd in Microsystems & Nanoengineering (“Multiplex fluorescentie- en verstrooiingsdetectie met resolutie van één cel met behulp van on-chip glasvezel voor microfluïdische druppeltoepassingen”), is een geminiaturiseerd, betaalbaar en gebruiksvriendelijk platform dat de kracht van multiparameter-single-cell-analyse naar een benchtop-formaat brengt.
a Het OptiDrop-platform bestaat uit een microfluïdische chip met een olie- en waterinlaat voor de vorming van druppels op de stroomfocusserende kruising. De waterfase wordt ingekapseld in druppeltjes en stroomt vervolgens door de optische ondervragingsplaats (inzet), geflankeerd door een reeks optische vezelgroeven die rond het centrale kanaal zijn gerangschikt. De groeven op de chip worden gebruikt om de optische vezels op vaste hoekposities te huisvesten, waardoor effectieve druppelverlichting mogelijk is met het invallende laserlicht en het verzamelen van verstrooid licht en fluorescentiesignalen terwijl de druppel door de lichtbundel gaat. De optische vezeluitgang wordt voor detectie gekoppeld aan een PMT. TTL-pulstellingen van elke PMT worden geïntegreerd door een FPGA-chip met een pulsteller en uitgezet als ruwe signaalintensiteitspiekgegevens. De onbewerkte gegevens kunnen verder worden geanalyseerd om de fluorescentie-intensiteiten van de cellen van belang te identificeren of te meten. b Op een tafel gemonteerde eenheid met een voetliniaal voor schaalverdeling, een scherm voor het bekijken van livegegevensstromen en spuitpompen. (Afbeelding: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) De kerninnovatie van OptiDrop ligt in de strategische positionering van optische vezels rond het microfluïdische kanaal. Terwijl elke druppel het ondervragingspunt passeert, verlicht een laser deze, waardoor verstrooiings- en fluorescentiesignalen worden gegenereerd. Deze optische signalen worden efficiënt verzameld door vezels die onder een hoek van 45° zijn geplaatst en vervolgens naar afzonderlijke detectoren geleid. Op maat gemaakte elektronica digitaliseert de signalen in realtime, waardoor onmiddellijke visualisatie en analyse van het optische profiel van elke druppel mogelijk is.
Om de prestaties van OptiDrop te valideren, karakteriseerden de onderzoekers eerst de gevoeligheid en het dynamische bereik met behulp van gestandaardiseerde fluorescerende kleurstoffen. Op indrukwekkende wijze kon het apparaat kleurstofconcentraties van slechts 1 nanomolair detecteren, wat indruist tegen de detectielimieten van conventionele instrumenten, terwijl er slechts een fractie van het monstervolume nodig is. Bovendien schaalde de door OptiDrop gemeten fluorescentie-intensiteit lineair over een breed scala aan concentraties, wat een nauwkeurige en betrouwbare kwantificering garandeert.
De onderzoekers demonstreerden vervolgens de mogelijkheden van OptiDrop voor deeltjesanalyse met behulp van microbolletjes van verschillende groottes en fluorescentie-intensiteiten als celnabootsers. Het platform maakte gemakkelijk onderscheid tussen kralen op basis van zowel hun fysieke afmetingen als optische eigenschappen. Opmerkelijk is dat OptiDrop, zelfs in een heterogeen mengsel van vaag en helder fluorescerende kralen, elke subpopulatie nauwkeurig identificeerde en opsomde. Dit benadrukt de robuustheid van het systeem bij het analyseren van complexe biologische monsters die diverse celtypen bevatten.
Om de bruikbaarheid van het platform voor een biologisch relevante toepassing te demonstreren, voerde het team een live-celtest uit waarbij de oppervlakte-expressie van belangrijke histocompatibiliteitscomplex-eiwitten (MHC) op immuuncellen werd onderzocht. MHC-moleculen zijn cruciale regulatoren van immuunreacties tegen pathogenen en abnormale cellen, waardoor hun expressieniveaus waardevolle biomarkers zijn. Door gebruik te maken van fluorescent gelabelde antilichamen, maakte OptiDrop de gelijktijdige detectie mogelijk van zowel MHC klasse I- als II-eiwitten op individuele cellen ingekapseld in druppeltjes. Stimulatie van de cellen met interferon-gamma, een immunostimulerend cytokine, veroorzaakte de verwachte opregulatie van MHC-expressie, die op gevoelige wijze werd gekwantificeerd door het OptiDrop-platform.
De ontwikkeling van OptiDrop markeert een belangrijke stap in de richting van het democratiseren van geavanceerde mogelijkheden voor eencellige analyse. Door de kosten- en complexiteitsbarrières te overwinnen die de adoptie van druppelmicrofluïdica hebben belemmerd, brengt dit innovatieve platform krachtige cellulaire ondervragingsinstrumenten binnen het bereik van een breder scala aan onderzoekers en clinici. De betaalbaarheid, gebruiksvriendelijkheid en robuustheid maken het zeer geschikt voor routinematige inzet in biomedische onderzoekslaboratoria en diagnostische instellingen op het punt van zorg.
De potentiële toepassingen van OptiDrop zijn enorm en verreikend. Op het gebied van ziektemonitoring zou het ultragevoelige detectie van zeldzame biomarkers mogelijk kunnen maken, waardoor niet-invasieve vroege diagnose en beoordeling van de respons op de behandeling mogelijk worden. Integratie met single-cell sequencing-workflows kan een directe correlatie van visuele fenotypes met genexpressieprofielen mogelijk maken, wat een uitgebreider inzicht in cellulaire toestanden biedt. Bovendien maken het gesloten ontwerp van het platform en de mogelijkheid om klinische monsters snel te verwerken het bijzonder aantrekkelijk voor het testen van infectieziekten en andere tijdgevoelige diagnostische toepassingen.
Hoewel OptiDrop een aanzienlijke vooruitgang betekent, is er nog steeds ruimte voor verdere optimalisatie en uitbreiding van de mogelijkheden. Het verhogen van de doorvoer door snellere druppelstroomsnelheden mogelijk te maken en kleinere druppels te genereren, zou de efficiëntie en schaalbaarheid ervan kunnen verbeteren. Het integreren van actieve sorteerfunctionaliteiten zou gebruikers in staat stellen specifieke subpopulaties van interesse te isoleren op basis van hun optische handtekeningen, waardoor stroomafwaartse moleculaire analyses mogelijk worden. Bovendien zal de ontwikkeling van gestandaardiseerde cartridgeontwerpen en intuïtieve software-interfaces van cruciaal belang zijn voor het stroomlijnen van de werking en data-interpretatie.
Naarmate ons begrip van biologische systemen steeds genuanceerder wordt, zullen tools zoals OptiDrop, die microfluïdica, optica en elektronica naadloos integreren, onmisbaar zijn voor het ontrafelen van de complexiteit ervan. Door een toegankelijk en veelzijdig platform te bieden voor single-cell-analyse met hoge doorvoer, voorziet OptiDrop onderzoekers en artsen van een krachtig hulpmiddel om nieuwe vragen te stellen, bestaande paradigma's uit te dagen en baanbrekende ontdekkingen te vertalen naar betekenisvolle impact in de echte wereld.
a Het OptiDrop-platform bestaat uit een microfluïdische chip met een olie- en waterinlaat voor de vorming van druppels op de stroomfocusserende kruising. De waterfase wordt ingekapseld in druppeltjes en stroomt vervolgens door de optische ondervragingsplaats (inzet), geflankeerd door een reeks optische vezelgroeven die rond het centrale kanaal zijn gerangschikt. De groeven op de chip worden gebruikt om de optische vezels op vaste hoekposities te huisvesten, waardoor effectieve druppelverlichting mogelijk is met het invallende laserlicht en het verzamelen van verstrooid licht en fluorescentiesignalen terwijl de druppel door de lichtbundel gaat. De optische vezeluitgang wordt voor detectie gekoppeld aan een PMT. TTL-pulstellingen van elke PMT worden geïntegreerd door een FPGA-chip met een pulsteller en uitgezet als ruwe signaalintensiteitspiekgegevens. De onbewerkte gegevens kunnen verder worden geanalyseerd om de fluorescentie-intensiteiten van de cellen van belang te identificeren of te meten. b Op een tafel gemonteerde eenheid met een voetliniaal voor schaalverdeling, een scherm voor het bekijken van livegegevensstromen en spuitpompen. (Afbeelding: Microsystems & Nanoengineering, CC BY 4.0) De kerninnovatie van OptiDrop ligt in de strategische positionering van optische vezels rond het microfluïdische kanaal. Terwijl elke druppel het ondervragingspunt passeert, verlicht een laser deze, waardoor verstrooiings- en fluorescentiesignalen worden gegenereerd. Deze optische signalen worden efficiënt verzameld door vezels die onder een hoek van 45° zijn geplaatst en vervolgens naar afzonderlijke detectoren geleid. Op maat gemaakte elektronica digitaliseert de signalen in realtime, waardoor onmiddellijke visualisatie en analyse van het optische profiel van elke druppel mogelijk is.
Om de prestaties van OptiDrop te valideren, karakteriseerden de onderzoekers eerst de gevoeligheid en het dynamische bereik met behulp van gestandaardiseerde fluorescerende kleurstoffen. Op indrukwekkende wijze kon het apparaat kleurstofconcentraties van slechts 1 nanomolair detecteren, wat indruist tegen de detectielimieten van conventionele instrumenten, terwijl er slechts een fractie van het monstervolume nodig is. Bovendien schaalde de door OptiDrop gemeten fluorescentie-intensiteit lineair over een breed scala aan concentraties, wat een nauwkeurige en betrouwbare kwantificering garandeert.
De onderzoekers demonstreerden vervolgens de mogelijkheden van OptiDrop voor deeltjesanalyse met behulp van microbolletjes van verschillende groottes en fluorescentie-intensiteiten als celnabootsers. Het platform maakte gemakkelijk onderscheid tussen kralen op basis van zowel hun fysieke afmetingen als optische eigenschappen. Opmerkelijk is dat OptiDrop, zelfs in een heterogeen mengsel van vaag en helder fluorescerende kralen, elke subpopulatie nauwkeurig identificeerde en opsomde. Dit benadrukt de robuustheid van het systeem bij het analyseren van complexe biologische monsters die diverse celtypen bevatten.
Om de bruikbaarheid van het platform voor een biologisch relevante toepassing te demonstreren, voerde het team een live-celtest uit waarbij de oppervlakte-expressie van belangrijke histocompatibiliteitscomplex-eiwitten (MHC) op immuuncellen werd onderzocht. MHC-moleculen zijn cruciale regulatoren van immuunreacties tegen pathogenen en abnormale cellen, waardoor hun expressieniveaus waardevolle biomarkers zijn. Door gebruik te maken van fluorescent gelabelde antilichamen, maakte OptiDrop de gelijktijdige detectie mogelijk van zowel MHC klasse I- als II-eiwitten op individuele cellen ingekapseld in druppeltjes. Stimulatie van de cellen met interferon-gamma, een immunostimulerend cytokine, veroorzaakte de verwachte opregulatie van MHC-expressie, die op gevoelige wijze werd gekwantificeerd door het OptiDrop-platform.
De ontwikkeling van OptiDrop markeert een belangrijke stap in de richting van het democratiseren van geavanceerde mogelijkheden voor eencellige analyse. Door de kosten- en complexiteitsbarrières te overwinnen die de adoptie van druppelmicrofluïdica hebben belemmerd, brengt dit innovatieve platform krachtige cellulaire ondervragingsinstrumenten binnen het bereik van een breder scala aan onderzoekers en clinici. De betaalbaarheid, gebruiksvriendelijkheid en robuustheid maken het zeer geschikt voor routinematige inzet in biomedische onderzoekslaboratoria en diagnostische instellingen op het punt van zorg.
De potentiële toepassingen van OptiDrop zijn enorm en verreikend. Op het gebied van ziektemonitoring zou het ultragevoelige detectie van zeldzame biomarkers mogelijk kunnen maken, waardoor niet-invasieve vroege diagnose en beoordeling van de respons op de behandeling mogelijk worden. Integratie met single-cell sequencing-workflows kan een directe correlatie van visuele fenotypes met genexpressieprofielen mogelijk maken, wat een uitgebreider inzicht in cellulaire toestanden biedt. Bovendien maken het gesloten ontwerp van het platform en de mogelijkheid om klinische monsters snel te verwerken het bijzonder aantrekkelijk voor het testen van infectieziekten en andere tijdgevoelige diagnostische toepassingen.
Hoewel OptiDrop een aanzienlijke vooruitgang betekent, is er nog steeds ruimte voor verdere optimalisatie en uitbreiding van de mogelijkheden. Het verhogen van de doorvoer door snellere druppelstroomsnelheden mogelijk te maken en kleinere druppels te genereren, zou de efficiëntie en schaalbaarheid ervan kunnen verbeteren. Het integreren van actieve sorteerfunctionaliteiten zou gebruikers in staat stellen specifieke subpopulaties van interesse te isoleren op basis van hun optische handtekeningen, waardoor stroomafwaartse moleculaire analyses mogelijk worden. Bovendien zal de ontwikkeling van gestandaardiseerde cartridgeontwerpen en intuïtieve software-interfaces van cruciaal belang zijn voor het stroomlijnen van de werking en data-interpretatie.
Naarmate ons begrip van biologische systemen steeds genuanceerder wordt, zullen tools zoals OptiDrop, die microfluïdica, optica en elektronica naadloos integreren, onmisbaar zijn voor het ontrafelen van de complexiteit ervan. Door een toegankelijk en veelzijdig platform te bieden voor single-cell-analyse met hoge doorvoer, voorziet OptiDrop onderzoekers en artsen van een krachtig hulpmiddel om nieuwe vragen te stellen, bestaande paradigma's uit te dagen en baanbrekende ontdekkingen te vertalen naar betekenisvolle impact in de echte wereld.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64952.php
