Imec e Sarcura presentano la rilevazione scalabile on-chip dei globuli bianchi umani

Figura 1: Immagine del citometro a flusso su chip.

Figura 2: (sinistra) Sezione trasversale schematica dello stack di strati del chip, che indica il accoppiamento della luce nel chip, l'illuminazione delle cellule e la raccolta e rilevamento dei segnali di scattering delle cellule. (destra) Diagramma di dispersione sperimentale di un campione completo di monociti del sangue periferico misurato con il citometro a flusso integrato nel chip.

Imec, un centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, e Sarcura GmbH, una startup tecnologica austriaca, presentano il loro proof-of-concept di un citometro a flusso on-chip con fotonica integrata.

Questa innovazione, pubblicata il 20.05.2024 su Scientific Reports, parte della Nature Publishing Group, offre una piattaforma unica per il riconoscimento e la discriminazione dei leucociti umani e rappresenta un passo importante verso un'analisi cellulare economica, scalabile e altamente parallela.

L'identificazione accurata delle cellule umane è un processo chiave nella medicina moderna, fondamentale per la comprensione dei meccanismi delle malattie e lo sviluppo di trattamenti mirati e personalizzati. Con l'avvento della produzione cellulare, ora è possibile lavorare cellule vive in modo tale da utilizzarle come trattamento, specialmente in terapie innovative come la terapia immunitaria CAR-T contro il cancro. La capacità di identificare queste cellule terapeutiche in prodotti cellulari complessi ad alto rendimento è essenziale e spesso critica in termini di tempo.

Il metodo preferito oggi è la citometria a flusso, che consente di caratterizzare le popolazioni cellulari sulla base delle proprietà fisiche e chimiche delle singole cellule mentre attraversano un raggio laser. Tuttavia, l'attuale implementazione coinvolge strumenti ingombranti, processi complessi e manuali (che comportano rischi di contaminazione) e alti costi operativi. Queste sfide ostacolano la diffusione e l'applicazione delle terapie cellulari in strutture decentralizzate. Per superare queste limitazioni, imec utilizza la propria esperienza in tecnologia CMOS, fotonica e fluidica per automatizzare, miniaturizzare e parallelizzare la citometria a flusso. In uno studio pubblicato su Scientific Reports, imec e Sarcura presentano un citometro a flusso on-chip con fotonica integrata. Il chip opto-fluidico, prodotto sulla linea pilota CMOS da 200 mm di imec, presenta uno strato di materiali innovativo che permette sia l'illuminazione delle cellule sia la rilevazione della luce diffusa tramite onde guida ottiche, oltre a guidare con precisione le cellule verso i punti di rilevamento tramite microcanali fluidici.

"La fotonica in silicio, come dimostrato con successo in questo nuovo chip fotonico, rappresenta un componente rivoluzionario e essenziale che combina le possibilità di rilevamento di singole cellule con una massiccia parallelizzazione su una superficie drasticamente ridotta. Questa svolta apre nuove opportunità per affrontare sfide ancora irrisolte in applicazioni come la produzione di terapie cellulari", spiega Daniela Buchmayr, CEO e co-fondatrice di Sarcura.

Niels Verellen, direttore scientifico di imec, ha commentato: "Abbiamo dimostrato per la prima volta che un chip bi-fotonico monolitico integrato può essere utilizzato per raccogliere la luce diffusa otticamente, consentendo di distinguere tra linfociti e monociti nel campione di sangue di un paziente, con prestazioni paragonabili a quelle dei citometri commerciali. Il principale vantaggio risiede nella possibilità di parallelizzare densamente più canali di flusso per aumentare la capacità del sistema." In una fase successiva, il design compatto e senza allineamenti dovrebbe permettere l'identificazione di miliardi di cellule in breve tempo.

È fondamentale che l'architettura del chip si integri senza soluzione di continuità con il modulo di separazione cellulare Bubble-Jet precedentemente sviluppato da imec, compatibile con la produzione su wafer. Inoltre, le componenti fotoniche e il layout possono essere adattati alle specifiche applicazioni. Questo proof-of-concept rappresenta quindi un passo importante verso piattaforme di separazione cellulare economiche, scalabili e altamente parallele.