Imec a Sarcura představují škálovatelné on-chipové detekce lidských bílých krvinek

Obrázek 1. Obrázek on-chipového průtokového cytometru. / Figure 1: Picture of the on-chip flow cytometer.

Obrázek 2: (vlevo) Schematický průřez vrstvami čipu, který ukazuje vstup světla do čipu, osvětlení buněk a sběr a detekci signálů rozptylu buněk. (vpravo) Experimentální rozptylový diagram úplné mononukleární vzorku z periferní krve měřený pomocí čipového průtokového cytometru.

Imec, celosvětově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, a Sarcura GmbH, rakouský technologický startup, představují svůj proof-of-concept on-chip průtokového cytometru s integrovanou fotonikou.

Tato inovace, která byla zveřejněna dne 20.05.2024 v časopise Scientific Reports, částí skupiny Nature Publishing Group, nabízí jedinečnou platformu pro rozpoznávání a diskriminaci lidských leukocytů a představuje velký krok směrem k nákladově efektivní, škálovatelné a vysoce paralelní analýze buněk.

Přesná identifikace lidských buněk je klíčovým krokem v moderní medicíně, která je zásadní pro pochopení mechanismů onemocnění a vývoj cílených a personalizovaných léčebných metod. S nástupem buněčné výroby lze nyní živé buňky upravovat tak, aby sloužily jako léčiva, zejména u průlomových terapií, jako je CAR-T imunocelová terapie proti rakovině. Schopnost identifikovat tyto terapeutické buňky v složitých buněčných produktech s vysokým průchodem je zásadní a často časově kritická.

Preferovanou metodou je dnes průtoková cytometrie, která umožňuje charakterizaci buněčných populací na základě fyzikálních a chemických vlastností jednotlivých buněk, zatímco ty procházejí laserem. Současná realizace však zahrnuje objemná zařízení, složité a manuální pracovní postupy (které představují riziko kontaminace) a vysoké provozní náklady. Tyto výzvy brání široké dostupnosti a použití buněčných terapií v decentralizovaných zařízeních. Aby bylo možné tyto omezení překonat, využívá imec své odborné znalosti v oblasti CMOS technologie, fotoniky a fluidiky k automatizaci, miniaturizaci a paralelizaci průtokové cytometrie. Ve studii publikované v Scientific Reports představuje imec společně se Sarcura on-chip průtokový cytometr s integrovanou fotonikou. Opto-fluidický čip vyrobený na 200mm CMOS pilotní lince imec disponuje průlomovou vrstvou materiálu, která umožňuje jak osvětlení buněk, tak zachycení rozptýleného světla pomocí vlnovodových optik a přesné vedení buněk k detekčním bodům pomocí mikrofluidických kanálů.

"Silicon photonics, jak byla úspěšně demonstrována v tomto novém fotonickém čipu, je revoluční a zásadní stavební prvek, který spojuje možnosti detekce jednotlivých buněk s masivní paralelizací na dramaticky zmenšené základní ploše. Tento průlom otevírá nové možnosti řešení dosud nevyřešených výzev v aplikacích, jako je výroba buněčných terapií," vysvětluje Daniela Buchmayr, CEO a spoluzakladatelka Sarcura.

Niels Verellen, vědecký ředitel ve společnosti imec, poznamenal: "Poprvé jsme ukázali, že lze použít monoliticky integrovaný biophotonický čip k sběru optického rozptýleného záření, které umožňuje rozlišení lymfocytů a monocytů z krevního vzorku pacienta a může konkurovat výkonu komerčních cytometrů. Hlavní výhodou je možnost husté paralelizace několika průtokových kanálů ke zvýšení systémového průtoku." V další fázi by měl kompaktní, bezseřizovací design umožnit identifikaci miliard buněk během krátké doby.

Klíčové je, že architektura čipu se bezproblémově integruje s dříve vyvinutým modulárním systémem Bubble-Jet pro třídění buněk, který je kompatibilní s výrobou na waferové úrovni. Navíc lze fotonické komponenty a rozložení přizpůsobit konkrétním aplikacím. Tento proof-of-concept představuje významný krok směrem k nákladově efektivním, škálovatelným a vysoce paralelním platformám pro třídění buněk.