Un nuovo dispositivo di smistamento cellulare sintonizzabile con potenziali applicazioni biomediche | Science Tokyo
È possibile effettuare uno smistamento preciso e privo di etichette di cellule di varie dimensioni grazie a un array di idrogel PNIPAM sensibile alla temperatura
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L'idrogel di poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAM) subisce cambiamenti significativi ma precisi nelle dimensioni tra i 20 e i 40 °C, il che lo rende un candidato eccellente per l'uso in dispositivi a spostamento laterale deterministico (DLD) di dimensioni variabili. I ricercatori di Science Tokyo hanno costruito una piattaforma di smistamento cellulare DLD regolabile e ne hanno verificato la capacità di smistare cellule tumorali di dimensioni definite da campioni di sangue. Questa piattaforma potrebbe offrire uno smistamento cellulare ad alta risoluzione basato sulle dimensioni per un'ampia gamma di applicazioni biomediche.
Un dispositivo di separazione cellulare sintonizzabile cambia la selettività in base alla temperatura
L'isolamento di specifici tipi di cellule dal tessuto circostante è una fase cruciale di molti processi diagnostici medici. Ad esempio, l'individuazione di cellule tumorali nel sangue è necessaria per identificare se il cancro si è metastatizzato. Le tecniche di smistamento cellulare basate sulle dimensioni, come lo spostamento laterale deterministico (DLD), sono diventate popolari negli ultimi anni, grazie alla loro elevata produttività e alla conservazione dell'attività metabolica delle cellule isolate.
La DLD utilizza array di micropillole distanziate con precisione. Le cellule più piccole di un certo diametro critico ( D c ) vengono deviate su un lato dell'array, mentre quelle più grandi di D c vengono deviate sul lato opposto. Tuttavia, ciò significa che un tipico dispositivo DLD può smistare le cellule solo in base a uno specifico D c, il che ne limita l'utilità. Ciò significa anche che i dispositivi DLD sono a rischio di incrostazioni e intasamenti, poiché non esiste un modo efficace per rimuovere gli oggetti di grande diametro che rimangono incastrati nell'array.
Un team di ricercatori dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, ha creato un dispositivo DLD sintonizzabile utilizzando micropillari di idrogel di poli( N -isopropilacrilammide) (PNIPAM). Il progetto è stato guidato dal professore associato Takasi Nisisako e dal professore assistente Yusuke Kanno dell'Institute of Integrated Research, Science Tokyo, insieme allo studente laureato Ze Jiang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, School of Engineering, Science Tokyo, Giappone. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Lab on a Chip il 3 settembre 2025.
Il PNIPAM subisce precise variazioni di dimensioni tra 20 e 40 °C, il che lo rende un ottimo candidato per un DLD con D c variabile. "Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato un array di DLD termoresponsivi su un substrato di vetro utilizzando micropillole idrogel composte da PNIPAM all'interno di un microcanale in poli(dimetilsilossano) (PDMS)", spiega Nisisako, aggiungendo: "L'approccio basato su PNIPAM non richiede complesse apparecchiature esterne per la generazione di campi, offre un processo di fabbricazione più semplice e facilita la separazione dimensionale attraverso la modulazione diretta delle dimensioni delle colonne in base alla temperatura".
L'ultima versione del dispositivo DLD del team consiste in una base di silicio su un elemento di Peltier. I microcanali in PDMS, legati al silicio tramite plasma, trasportano il campione liquido e il fluido della guaina al microarray di PNIPAM. Due uscite - L e S - all'estremità dell'array consentono di separare le cellule selezionate dal resto del campione. "L'uso del silicio, scelto per la sua superiore conducibilità termica, ha consentito un controllo D c più preciso", afferma Nisisako, elencando i miglioramenti di questa versione. E aggiunge: "L'incollaggio al plasma del canale PDMS al substrato di silicio ha permesso un funzionamento stabile a pressione positiva in una gamma di velocità di flusso. Inoltre, impiegando un nuovo fotoresist a base di PNIPAM con una maggiore concentrazione di polimero, abbiamo fabbricato micropillole fino a 30 μm di altezza, adatte per il trattamento di diverse particelle biologiche".
Il team ha verificato la sintonia del dispositivo utilizzando campioni di sangue con cellule di adenocarcinoma mammario della Michigan Cancer Foundation-7 (MCF-7). Con un diametro medio di 17 μm, le cellule MCF-7 sono molto più grandi delle cellule del sangue. Il team ha fatto passare il campione attraverso l'array a 25 °C ( D c = 14,1 μm) e ha ottenuto un'efficienza di smistamento del 90% delle cellule MCF-7 nell'uscita L. A 26 °C ( D c = 18,5 μm), è stato osservato un numero simile di cellule MCF-7 in entrambe le uscite, ma quelle nell'uscita L erano costantemente più grandi di quelle nell'uscita S. A 37 °C ( D c = 29 μm), tutte le cellule MCF-7 si trovavano all'uscita S.
Forte del successo della convalida del dispositivo DLD sintonizzabile, Nisisako intende verificarne le prestazioni quando viene utilizzato con campioni biologici reali di pazienti. "La precisione, la versatilità e l'affidabilità di questa piattaforma sottolineano il suo potenziale per lo smistamento dimensionale ad alta risoluzione, rendendola uno strumento promettente per un'ampia gamma di applicazioni biomediche", aggiunge Nisisako, indicando nuovi entusiasmanti impieghi per questa tecnologia.
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