Laminarna odyseja - moc cieczy i światła w kierunku wczesnej diagnostyki białaczki

Zespół badawczy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk zademonstrował unikalną konfigurację systemu opartego na pęsecie optycznej, która umożliwia manipulowanie różnymi cząsteczkami i komórkami na duże odległości w urządzeniach typu lab-on-a-chip - aby umożliwić szybką i skuteczną diagnostykę oraz leczenie wielu poważnych chorób.

Rak jest plagą XXI wieku i pomimo szybkiego rozwoju diagnostyki medycznej i spersonalizowanych metod leczenia większość terapii pozostaje niewystarczająca, aby uratować życie pacjenta. Terminowa i dokładna diagnoza ma ogromne znaczenie, ale gdy pacjent zostanie zdiagnozowany, wynik walki o uratowanie życia nadal zależy od wielu czynników. Chirurgia, chemioterapia, radioterapia, leczenie ciepłem, immunoterapia i różne kombinacje tych metod pomagają w wygraniu bitwy z rakiem ratując życie jednego pacjenta; niemniej jednak te same terapie mogą być nieskuteczne w przypadku innego pacjenta. Dlatego też na całym świecie podejmowane są liczne badania w kierunku skutecznej diagnostyki i leczenia wielu chorób, w tym o podłożu nowotworowym. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) opracowali nowe rozwiązanie w urządzeniach mikroprzepływowych, które przybliża nas do szybkiej i skutecznej diagnozy, w zależności od której terapia może być dostosowana indywidualnie do każdego przypadku. Jak to działa? Przyjrzyjmy się bliżej wyjątkowości odkryć badaczy z IChF PAN.

Wszystko zaczyna się od technik  mikroprzepływowych, które są szeroko badane przez ostatnie trzy dekady. Manipulacja płynami w maleńkich kanałach znalazła już zastosowanie w chemii analitycznej, biologii syntetycznej, materiałoznawstwie, , optyce, a nawet w technologii informacyjnej. Najbardziej znaczące i rewolucyjne zastosowania mikrofluidyka  znalazła jednak w mikrobiologii i diagnostyce medycznej, gdzie jej działanie w zakresie od nanometrów do mikrometrów doskonale nadaje się do badań pojedynczych komórek. Zdolność do skanowania setek tysięcy pojedynczych komórek w ciągu jednej sekundy zrewolucjonizowało sposób, w jaki można badać poszczególne komórki, a nawet ich indywidualne i zbiorowe zachowania oraz ich reakcję na leki lub zmiany warunków środowiskowych. Ilość informacji, jaką można uzyskać przy stosowaniu mikrofluidyki, w połączeniu z szybkością, dokładnością i specyficznością tej technologii może stać się potężnym narzędziem w diagnozowaniu śmiertelnych chorób, takich jak rak. Motywacją zespołu badawczego do zbudowania innowacyjnego urządzenia diagnostycznego opartego na mikroprzepływach była możliwość wczesnego diagnozowania raka krwi, czyli białaczki.

"A przynajmniej połowa motywacji..." śmieje się dr Ladislav Derzsi, lider zespołu mikroprzepływowego. "Druga połowa pochodziła z integracji mikroprzepływów z potężną nową techniką zwaną stymulowaną spektroskopią Ramana. To połączenie sprawia, że jest to najnowocześniejsza technologia. Projekty takie jak ten wymagają wysokiego stopnia interdyscyplinarności" - kontynuuje dr Derzsi - "i faktycznie, zrealizowaliśmy ten projekt w konsorcjum z sześcioma najlepszymi polskimi grupami badawczymi z różnych dziedzin. Jako zespół mikroprzepływowy opracowywaliśmy serce urządzenia diagnostycznego: mikroprzepływowy chip, który obsługuje komórki krwi, dostarcza je pojedynczo do maleńkiego punktu detekcji spektrometru z wyjątkową dokładnością, zatrzymuje komórki do detekcji i wreszcie, w oparciu o wykryte sygnały, sortuje komórki, izoluje potencjalnie interesujące komórki do dalszych badań. Zespół z Uniwersytetu Warszawskiego buduje główny szkielet systemu diagnostycznego - mikroskop ramanowski; zespół z Instytutu Chemii Fizycznej buduje jedyny w swoim rodzaju laser pompujący; a czwarty zespół, który ma siedzibę na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, jest odpowiedzialny za detekcję i analizę widm ramanowskich. Wreszcie, dwa zespoły, jeden na Uniwersytecie Medycznym w Łodzi, a drugi w Instytucie Hematologii i Transfuzjologii Krwi w Warszawie, są odpowiedzialne za część mikrobiologiczną oraz wszystkie tematy związane z pacjentami i krwią w ramach projektu". 

Wróćmy jednak na chwilę do "tajnej broni", czyli stymulowanej spektroskopii ramanowskiej (SRS), która stawia ten system diagnostyczny na zupełnie nowym poziomie. Shreyas Vasantham, pierwszy autor publikacji, która przedstawia wyniki bada, wyjaśnia:

"Dla lekarzy SRS może być techniką podobną do pobierania odcisku palca dla detektywów i kryminalistyki. SRS wykrywa wibracje wiązań molekularnych, które są tak unikalne dla cząsteczek, jak odcisk palca dla ludzi. Wykrycie takich molekularnych wibracyjnych odcisków palców pozwala na jednoznaczną identyfikację konkretnej cząsteczki, do której należy. Komórki nowotworowe, pomimo ich dużej różnorodności i heterogeniczności, mają wspólną cechę polegającą na tym, że różnią się pod względem aktywności metabolicznej i metabolitów od zdrowych komórek. Zbudowanie biblioteki powiązanych widm Ramana pozwoliłoby na zautomatyzowaną identyfikację komórek nowotworowych na podstawie ich markerów Ramana. W konsekwencji wykorzystanie SRS w diagnostyce może nie tylko ujawnić obecność rozwijającego się nowotworu, ale może również dostarczyć informacji o jego typie, podtypie, stadium rozwoju i wszystkich niezbędnych informacji do zaplanowania leczenia dostosowanego do danego pacjenta".

Aby z powodzeniem zastosować taką ultra-specyficzną diagnostykę, należy jednak pokonać kilka wyzwań technicznych. Przede wszystkim komórki muszą być przechwytywane jedna po drugiej i utrzymywane w bezruchu na czas skanowania... ale bez dotykania ich. Nieinwazyjne techniki manipulacji - lub, jak określają je specjaliści, "chwytanie bez dotykania" - są stosowane przy użyciu dielektroforezy, ultradźwięków lub światła laserowego. Wśród nich najmniej oczywistą, ale prawdopodobnie najpotężniejszą metodą chwytania cząstek i komórek jest światło. Odkrycie możliwości chwytania i przesuwania mikroskopijnych obiektów wyłącznie za pomocą światła oraz opracowanie działającej techniki, która stała się znana jako "pęseta optyczna", przyniosło jej wynalazcy, Arthurowi Ashkinowi, Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2018 roku.

Od czasu pierwszego doniesienia o tej metodzie w 1986 roku pęseta optyczna przeszła długą drogę. Postęp technologiczny w dziedzinie światłowodów umożliwił naukowcom zastąpienie tradycyjnych metod opartych na obiektywach mikroskopów, które są nieporęczne i drogie, światłowodami nieco grubszymi niż ludzki włos, które mieszczą się w dłoni, nawet w połączeniu z laserem diodowym i całą elektroniką urządzenia.

Aby uzyskać skuteczną pęsetę optyczną, światło lasera musi być skupione (i właśnie dlatego zastosowano obiektywy mikroskopowe), ale laser emitowany z końcówki światłowodu jest zwykle rozbieżny i raczej odpycha cząsteczki niż je przyciąga. Aby temu zaradzić, dostępne podejścia oparte na światłowodach wykorzystują jedną z dwóch metod. Po pierwsze, rozmieszczenie dwóch światłowodów naprzeciwko siebie i popychanie komórek z dwóch przeciwnych stron, utrzymując je w punkcie środkowym, w którym dwie przeciwstawne siły znoszą się nawzajem. Po drugie, przy użyciu tylko jednego światłowodu, którego końcówka jest chemicznie wytrawiona, nanodrukowana lub zmodyfikowana w celu uzyskania skupienia wiązki laserowej. Stosowanie dwóch światłowodów wymaga bardzo precyzyjnego wyrównania przeciwbieżnych wiązek światła, a zaawansowana modyfikacja końcówki światłowodu i ograniczenia rozmiaru cząstek sprawiają, że podejście bazujące na zastosowaniu tylko jednego światłowodu jest mniej atrakcyjne.

Zespół mikroprzepływowy zademonstrował nowatorskie, proste, ale eleganckie podejście: używając pojedynczego światłowodu bez żadnych modyfikacji jego końcówki, z wyjątkiem prostego cięcia. Badacze zintegrowali światłowód bezpośrednio z kanałem mikroprzepływowym, którego końcówka jest skierowana w kierunku przeciwnym do przepływu. W tej konfiguracji opór hydrodynamiczny w kanale mikroprzepływowym przenosi/spycha komórki prosto w kierunku końcówki światłowodu, a wiązka laserowa rozchodząca się ze światłowodu odpycha komórki. W przypadku, gdy te dwie przeciwnie rozchodzące się siły są równej wielkości, wypadkowa siła działająca na komórkę wynosi zero i a komórka zostaje uwięziona. Co więcej, komórki w mikrokanale są osłonięte ze wszystkich czterech stron cieczą buforową, co pozwala badaczom skupić komórki w bardzo wąskim strumieniu. Gdy natężenia przepływu wszystkich czterech cieczy są takie same, komórki są wypychane z każdej strony symetrycznie, a wąska para przepływa przez środek kanału. Jednak niewielka zmiana szybkości przepływu cieczy pozwala nam precyzyjnie dostroić, tj. dynamicznie wyrównać pozycję strumienia komórek z wiązką lasera (w przypadku, gdy światłowód jest poza osią), maksymalizując w ten sposób wydajność wychwytywania.

"Nasze pęsety optohydrodynamiczne (OHT) oferują ulepszoną alternatywę dla konwencjonalnych pęset światłowodowych do szerokiego zakresu zastosowań w fizyce, biologii, medycynie itp. Regulując moc optyczną i natężenie przepływu, byliśmy w stanie uwięzić pojedyncze cząstki w pożądanych pozycjach w kanale z bardzo wysoką precyzją, a także manipulować nimi na długim dystansie w górę lub w dół z maksymalną odległością 500 μm", mówi Shreyas Vasantham.

Co więcej, OHT pozwala na znacznie wyższe prędkości przepływu do 4300 μm/s w porównaniu z tradycyjnymi pęsetami światłowodowymi, ponieważ siła oporu jest równoważona przez rozpraszanie optyczne, a nie siłę gradientu. Ponadto manipulacja i przemieszczanie uwięzionych cząstek na duże odległości do 500 μm jest możliwe w ramach kontrolowania mocy optycznej i szybkości przepływu w kanałach. Kolejną zaletą OHT jest znacznie niższa intensywność promieniowania optycznego na manipulowanej cząsteczce, co ogranicza jej uszkodzenia podczas pracy.

Shreyas Vasantham zauważa: "W zależności od zastosowania, cząstki mogą być albo uwięzione i uwalniane w sposób ciągły w celu zebrania informacji o próbce w sposób wysokowydajny, albo pojedyncza cząstka może być analizowana przez długi czas poprzez zatrzymanie przepływu próbki przy jednoczesnym utrzymaniu wszystkich przepływów cieczy. Zauważyliśmy, że stężenie cząstek można regulować w celu utrzymania określonej średniej częstotliwości napływających cząstek w pułapce, tak aby cząstka mogła zostać uwolniona po zebraniu wymaganych informacji przed nadejściem kolejnej".

 System OHT oferuje jeszcze dodatkową funkcję: jego zdolność do sortowania komórek po wykryciu i izolowania potencjalnie interesujących mutacji pozwala na testowanie skuteczności proponowanych leków i terapii bez narażania pacjenta na działanie leków.

"OHT oferuje również kilka dodatkowych korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi pęsetami światłowodowymi: użycie pojedynczego światłowodu w porównaniu z dwoma stosowanymi w pęsetach światłowodowych o podwójnej wiązce minimalizuje ogólną intensywność promieniowania optycznego na cząstce, ograniczając w ten sposób uszkodzenia uwięzionej cząstki" - wyjaśnia dr Yurii Promovych, jeden ze współautorów.

Proponowana konfiguracja OHT jest obiecującym narzędziem do zastosowania w medycynie spersonalizowanej, które toruje drogę do szybkiej diagnostyki przy użyciu urządzeń typu lab-on-a-chip i rzuca nowe światło na dostarczanie spersonalizowanych terapii, w tym terapii przeciwnowotworowych.

Projekt był finansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej TEAM NET (POIR.04.04.00-00-16ED/18-00).

KONTAKT:

dr Ladislav Derzsi
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Telefon: +48 22 343 3405
e-mail: lderzsi@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

"Opto-hydrodynamic tweezers"
Shreyas Vasantham, Abhay Kotnala, Yurii Promovych, Piotr Garstecki i Ladislav Derzsi
Lab on a Chip, 2024, 24, 517-527
https://doi.org/10.1039/D3LC00733B