Un chip classificatore di cellule

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Immaginate di dover trovare una cellula tumorale in un millilitro di sangue. Una cellula anomala fra milioni di cellule sane; una cellula da riconoscere e da isolare per poterla ulteriormente analizzare. Esistono sicuramente degli strumenti che vi aiutano in questo compito. Ma ora i ricercatori stanno sviluppando un detective delle dimensioni di un chip in grado di scovare le cellule che state cercando in modo così rapido ed economico come mai prima d’ora. Inoltre, questo nuovo strumento di diagnosi sarà molto più compatto rispetto a quelli esistenti, e molto più facile da usare. Il segreto: una combinazione intelligente di tecnologia su silicio, di microscopia senza lenti e di bolle di vapore miniaturizzate.


Sotto esame cellule tumorali e staminali
L’evoluzione nella tecnologia dei chip ci ha fornito degli smartphone che sorpassano per potenza di calcolo i server grandi come una stanza di qualche decennio fa. In una manciata di secondi ad esempio, chiunque e ovunque può ora prendere il proprio smartphone, trovare notizie su colui che ha isolato per primo il virus dell’Hiv e scaricare gli articoli più recenti sull’argomento. Ciò grazie all’enorme miniaturizzazione dei processori, dei sensori di immagini, dei chip di memoria, dei chip di comunicazione wireless e degli schermi ad alta risoluzione, il tutto alloggiato in una “scatola” elegante e compatta, nota anche come il vostro smartphone. Che cosa succederebbe se potessimo applicare questa miniaturizzazione estrema dei sistemi anche agli strumenti per la diagnosi medica? Per realizzare strumenti che consentirebbero a qualsiasi medico di effettuare test complicati al volo, ad esempio il controllo delle cellule di sangue in un campione prelevato da un paziente. Pensate ad uno specialista sul cancro, che sarebbe immediatamente in grado di vedere se un paziente ha delle cellule tumorali che vagano nel suo sangue, segno di un potenziale cancro con metastasi. Egli controllerebbe, dopo un ciclo di chemioterapia del paziente, se il numero di cellule tumorali nel sangue è diminuito e se il trattamento debba essere proseguito o modificato. Immaginate inoltre uno strumento che consenta di vedere se il sangue del paziente è contaminato da batteri specifici, permettendo di iniziare immediatamente un trattamento mirato. Un simile “classificatore di cellule” ad alta velocità non solo porterebbe a diagnosi più tempestive. Metterebbe anche in grado di isolare, in modo molto rapido, le cellule tumorali allo scopo di sequenziare il loro Dna e di avviare un trattamento basato sulle caratteristiche del tipo specifico di tumore. Oppure, se usato in una terapia con cellule staminali, potrebbe essere impiegato per controllare se una colonia non contiene cellule cattive di alcun tipo. Nel processo di coltivazione delle cellule, qualcosa potrebbe andare storto, producendo delle cellule che potrebbero essere pericolose per i pazienti. Di conseguenza un chip classificatore compatto, veloce e facile all’uso schiuderebbe numerose possibilità per i praticanti all’ospedale, per i punti di cura remoti, o presso lo studio di un medico.

Un concetto prende vita
L’idea dietro al chip classificatore di cellule ad alta velocità venne sviluppata due anni fa. Liesbet Lagae, Responsabile per la Ricerca e Sviluppo presso imec ha ricevuto un prestigioso riconoscimento dal Consiglio di Ricerca Europeo, per proseguire lo sviluppo di questa idea promettente. E gli scienziati di imec hanno realizzato i primi blocchi di base e li hanno integrati in un chip da 4 cm x 2 cm per l’analisi delle cellule, con il seguente processo:

  • una goccia di sangue viene inserita nel canale in ingresso;
  • le cellule viaggiano all’interno di un canale microfluidico a velocità elevata, pari a qualche metro al secondo;
  • una ad una, le cellule passano sopra a un sensore di immagini mentre sono illuminate da un laser;
  • in base all’immagine olografica sul sensore, un chip di calcolo potente ricostruisce un’immagine di ciascuna cellula individualmente;
  • la cellula è identificata (cellula tumorale, batterio…);
  • se la cellula è del tipo che si intende investigare, essa viene separata in un canale microfluidico separato. Questa operazione viene effettuata con l’aiuto di bolle di vapore generate con degli elementi riscaldanti;
  • le cellule vengono raccolte nei diversi canali in uscita per ulteriori analisi.

Una combinazione intelligente
Il chip classificatore di cellule è fabbricato in tecnologia al silicio, la stessa tecnologia usata anche per realizzare i chip per computer e le memorie. Uno dei vantaggi è che tutti i blocchi di base possono essere prodotti in massa in modo estremamente compatto e possono essere integrati in modo economicamente conveniente. Il vantaggio economico aumenta ulteriormente se si integrano nel chip più strutture di classificazione parallele. Per visualizzare e identificare le cellule, il classificatore di cellule si avvale della microscopia digitale olografica senza lenti. Un laser in cima al canale microfluidico illumina le cellule al loro passaggio. Un sensore di immagini collocato sotto al canale cattura lo schema di interferenze della luce laser e della luce che è passata attraverso le cellule. Con questo schema di interferenze è possibile ricostruire un’immagine della cellula. La qualità dell’immagine è confrontabile con quella della microscopia a contrasto di fase. Abbiamo ottimizzato questa tecnologia, migliorando considerevolmente la risoluzione per mezzo di una sorgente luminosa puntiforme (che crea un effetto “zoom”). Gli esperimenti con i campioni di sangue hanno mostrato che questa tecnica consente di distinguere fra le tre principali classi di globuli bianchi: granulociti, monociti e linfociti. Questi tipi differiscono per dimensioni e per granularità del contenuto della cellula. Nell’esperimento, abbiamo dapprima considerato i campioni che contenevano un solo tipo di cellula. Ciò ha consentito di ottimizzare l’algoritmo di classificazione. In seguito, abbiamo analizzato un campione completo di sangue. Questi risultati sono altamente confrontabili con quelli ottenuti con un analizzatore ematologico clinico, il che dà prova della validità della tecnica di microscopia digitale olografica senza lenti. L’interruttore microfluidico che usiamo per separare le cellule delle diverse tipologie di cui è costituito il campione è basato su piccoli elementi riscaldanti a forma di stella. Il nostro prototipo contiene 288 elementi di questo tipo, situati a valle del microscopio e a entrambi i lati del canale. Questi elementi riscaldanti creano delle bolle di vapore che spingono le cellule all’interno del canale giusto. La classificazione effettuata attraverso questi generatori di getti di vapore richiede circa 100 microsecondi per cellula. Questa velocità è unica, ed è anche la conseguenza dell’assenza di elementi in movimento. I nostri scienziati hanno effettuato un esperimento in cui il classificatore di cellule doveva isolare i monociti da un campione di cellule mononucleate da sangue periferico con monociti e linfociti. Il classificatore, usando i generatori di getti di vapore, è stato in grado di spostare l’88% delle cellule nel canale di uscita corretto. La purezza dei monociti raccolti all’uscita del chip era del 99%. Questi sono risultati eccezionali che provano che il classificatore di cellule fa ciò per cui è stato progettato. Un modo per migliorare ulteriormente l’accuratezza dei generatori di getti di vapore consiste nell’aggiungere un sensore che comunica ai generatori di getti di vapore la posizione esatta e la velocità della cellula in transito.

Il potere della parallelizzazione
Questo concetto e prototipo di classificatore di cellule diventa estremamente potente se si considera la parallelizzazione che è possibile con la tecnologia al silicio. Il primo prototipo è dotato di un canale microfluidico con un microscopio senza lenti e con generatori di getti di vapore a entrambi i lati del canale - ma è pressoché immediato estendere questo progetto a centinaia di canali che funzionano in parallelo, consentendo così di classificare centinaia di migliaia e persino milioni di cellule. In tal modo, diventa possibile raggiungere prestazioni mai viste nell’analisi e nell’isolamento delle cellule. Nel nostro progetto, il numero dei canali che possiamo aggiungere è limitato dall’area del chip e dal relativo costo (stimiamo che un centinaio di canali richiederà un centimetro quadro di silicio); dalla potenza del laser del microscopio senza lenti; e dai calcoli necessari per il riconoscimento delle immagini. Attualmente i ricercatori sono al lavoro per fabbricare un classificatore a 5 canali come prova di concetto della classificazione in parallelo con prestazioni superiori.

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