Новый дизайн устройства обеспечивает беспрецедентную точность измерений клеток
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали способ кардинально улучшить технику проточной цитометрии — критически важную для диагностической медицины, фармацевтических исследований и биомедицинской науки.
Проблема традиционного метода
Обычная проточная цитометрия предполагает однократное измерение клетки, помеченной флуоресцентным материалом, в одной точке узкого канала (размером с человеческий волос). Однако этот метод не позволяет количественно оценить вариативность (неопределённость) своих показаний. Например, неизвестно, как часто прибор может ошибочно классифицировать клетку как здоровую или больную на основе онкомаркеров. Это особенно критично при обнаружении редких событий, таких как циркулирующие опухолевые клетки (одна на миллион клеток крови).
Решение: серийный цитометр на чипе
Чтобы решить эту проблему, учёные создали и проверили новую систему, которая напрямую регистрирует величину вариации в измерениях. Их прибор делает серию из четырёх измерений одной и той же частицы в двух разных точках канала, разделённых 16 мм. Это позволяет наблюдать зависящие от измерения вариации величиной всего 1%.
"Это первый случай, когда мы можем напрямую измерить неопределённость для каждого отдельного объекта в проточном цитометре", — сказал Мэтью ДиСальво, ведущий автор исследования, опубликованного 20 июля 2022 года в журнале Lab on a Chip.
Ключевые технологические вызовы и решения
- Контроль положения частицы: Исследователи разработали "гибридную" технику фокусировки частицы в определённой точке канала. Вместо двух насосов они использовали четыре насоса для управления обтекающей жидкостью, что позволило точно контролировать положение частицы по всей длине цитометра. Частица естественным образом занимает равновесное положение (смещённое от центра на 11–14 мкм в зависимости от скорости потока), которое затем строго поддерживается.
- Сопоставление измерений: Точный контроль скорости и положения частицы позволяет системе точно знать время её транзита между точками измерения и сопоставлять данные с первой и второй точки для одной и той же частицы.
- Минимизация потерь света: Были разработаны усовершенствованные волноводы, минимизирующие потери и предотвращающие рассеивание флуоресцентного излучения, что позволило улавливать максимальное количество света детекторами.
Характеристики и перспективы
- Устройство работает с высокой пропускной способностью — до 100 и более частиц в секунду при скорости потока до 1 м/с.
- После публикации команда начала измерять белые кровяные клетки, анализируя количество ДНК для определения стадии клеточного цикла.
- Использование разных длин волн лазера позволяет выявлять различные свойства образца.
- Дальнейшие модификации волноводов (включение микролинз) должны повысить чувствительность до уровня коммерческих систем стоимостью в сотни тысяч долларов, сохранив при этом возможность измерения неопределённости.
- Совместно с математиками разрабатываются новые аналитические методы для разделения вариаций, вызванных потоком и размером частиц, а также для различения объектов, которые в обычных измерениях были бы неотличимы.