Imec en Sarcura presenteren schaalbare on-chip detectie van menselijke witte bloedcellen

Figuur 1: Afbeelding van de on-chip flowcytometer.

Abbildung 2: (links) Schematischer Querschnitt des Chip-Schichtstapels, der die Lichteinkopplung in den Chip, die Beleuchtung der Zellen sowie die Erfassung und Detektion der Zellstreusignale zeigt. (rechts) Experimentelles Streudiagramm einer vollständigen mononukleären Probe aus peripherem Blut, gemessen mit dem On-Chip-Durchflusszytometer. / Figure 2: (Left) Schematische Querschnittsansicht des Chip-Schichtstapels, der die Lichtkopplung in den Chip, die Zellbeleuchtung sowie die Sammlung und Detektion der Zellstreusignale zeigt. (Right) Experimentelles Streudiagramm einer vollständigen peripheren Blutmononukleärprobe, gemessen mit dem On-Chip-Flusszytometer.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, en de Sarcura GmbH, een Oostenrijks technologie-Startup, presenteren hun proof-of-concept van een on-chip flowcytometer met geïntegreerde fotonica.

Deze innovatie, die op 20.05.2024 is gepubliceerd in Scientific Reports, een onderdeel van de Nature Publishing Group, biedt een uniek platform voor de detectie en discriminatie van menselijke leukocyten en betekent een grote stap op weg naar een kosteneffectieve, schaalbare en hoogparallelle cellenanalyse.

De exacte identificatie van menselijke cellen is een sleutelproces in de moderne geneeskunde, dat van cruciaal belang is voor het begrijpen van ziekteprocessen en de ontwikkeling van gerichte en gepersonaliseerde behandelingen. Met de opkomst van celproductie kunnen nu levende cellen zodanig worden bewerkt dat ze dienen als therapeutische middelen, vooral bij baanbrekende therapieën zoals CAR-T immunotherapie tegen kanker. Het vermogen om deze therapeutische cellen in complexe celproducten met hoge doorvoer te identificeren, is essentieel en vaak tijdkritisch.

De voorkeursmethode is tegenwoordig flowcytometrie, die een karakterisering van cellenpopulaties mogelijk maakt op basis van de fysieke en chemische eigenschappen van individuele cellen terwijl ze langs een laser vliegen. De huidige implementatie omvat echter omvangrijke instrumenten, complexe en handmatige workflows (die een risico op contaminatie vormen) en hoge bedrijfskosten. Deze uitdagingen belemmeren de brede beschikbaarheid en toepassing van celtherapieën in decentrale faciliteiten. Om deze beperkingen te overwinnen, gebruikt imec zijn expertise in CMOS-technologie, fotonica en vloeistofmechanica om de flowcytometrie te automatiseren, te miniaturiseren en te paralleliseren. In een studie, gepubliceerd in Scientific Reports, presenteren imec en Sarcura een on-chip flowcytometer met geïntegreerde fotonica. De op de 200-mm CMOS-proeflijn van imec vervaardigde opto-vloeistofische chip beschikt over een baanbrekend materiaalstapel dat zowel de verlichting van de cellen als de opvang van verstrooid licht via waveguide-optica mogelijk maakt, evenals de nauwkeurige toevoer van de cellen naar de detectiepunten via microvloeistofkanalen.

"Silicium-fotonica, zoals succesvol gedemonstreerd in deze nieuwe fotonische chip, is een revolutionaire en essentiële bouwsteen die de mogelijkheden van single-cell detectie combineert met massale parallelisatie op een dramatisch verkleerd grondvlak. Deze doorbraak opent nieuwe mogelijkheden om onopgeloste uitdagingen bij toepassingen zoals de productie van celtherapieën aan te pakken," verklaart Daniela Buchmayr, CEO en medeoprichter van Sarcura.

Niels Verellen, wetenschappelijk directeur bij imec, merkte op: "We hebben voor het eerst aangetoond dat een monolithisch geïntegreerde biophotonische chip kan worden gebruikt om optische verstrooiing te verzamelen, waardoor onderscheid tussen lymfocyten en monocyten uit het bloed van een patiënt mogelijk wordt en die kan concurreren met de prestaties van commerciële cytometers. Het belangrijkste voordeel ligt in de mogelijkheid tot dichte parallelisatie van meerdere flowkanalen om de systeemdoorvoer te verhogen." In een volgende fase zou het compacte, uitlijningsvrije ontwerp de identificatie van miljarden cellen binnen korte tijd mogelijk maken.

Het is cruciaal dat de chip-architectuur naadloos kan worden geïntegreerd in de eerder door imec ontwikkelde Bubble-Jet cell-sortermodule, die compatibel is met wafer-opmaakproductie. Bovendien kunnen de fotonische componenten en het ontwerp worden afgestemd op de specifieke toepassingen. Dit proof-of-concept vormt daarmee een belangrijke stap richting kosteneffectieve, schaalbare en hoogparallelle cellen-sorteerplatforms.