Imec und Sarcura präsentieren skalierbare On-Chip-Detektion von menschlichen weißen Blutkörperchen

Abbildung 1. Abbildung des On-Chip-Durchflusszytometers. / Figure 1: Picture of the on-chip flow cytometer.

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) Schematic cross-section of the chip layer stack, indicating light coupling into the chip, cell illumination, and collection and detection of cell scattering signals. (Right) Experimental scatter plot of a full peripheral blood mononuclear sample measured with the on-chip flow cytometer.

Imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, und die Sarcura GmbH, ein österreichisches Technologie-Startup, präsentieren ihren Proof-of-Concept eines On-Chip-Durchflusszytometers mit integrierter Photonik.

Diese Innovation, die am 20.05.2024 in Scientific Reports, einem Teil der Nature Publishing Group, veröffentlicht wurde, bietet eine einzigartige Plattform für die Erkennung und Diskriminierung menschlicher Leukozyten und bedeutet einen großen Schritt auf dem Weg zu einer kostengünstigen, skalierbaren und hochgradig parallelisierten Zellanalyse.

Die genaue Identifizierung menschlicher Zellen ist ein Schlüsselvorgang in der modernen Medizin, der für dasVerständnis von Krankheitsmechanismen und die Entwicklung gezielter und personalisierter Behandlungen von entscheidender Bedeutung ist. Mit dem Aufkommen der Zellproduktion können jetzt lebende Zellen so bearbeitet werden, dass sie als Behandlungsmittel dienen, insbesondere bei bahnbrechenden Therapien wie der CAR-T-Immunzelltherapie gegen Krebs. Die Fähigkeit, diese therapeutischen Zellen in komplexen Zellprodukten mit hohem Durchsatz zu identifizieren, ist entscheidend und oft zeitkritisch.

Die Methode der Wahl ist heute die Durchflusszytometrie, die eine Charakterisierung von Zellpopulationen auf der Grundlage der physikalischen und chemischen Eigenschaften einzelner Zellen ermöglicht, während sie an einem Laser vorbeifließen. Die derzeitige Umsetzung beinhaltet jedoch sperrige Instrumente, komplexe und manuelle Arbeitsabläufe (die ein Kontaminationsrisiko darstellen) und hohe Betriebskosten. Diese Herausforderungen behindern die breite Verfügbarkeit und Anwendung von Zelltherapien in dezentralen Einrichtungen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzt imec seine Expertise in CMOS-Technologie, Photonik und Fluidik, um die Durchflusszytometrie zu automatisieren, zu miniaturisieren und zu parallelisieren. In einer Studie, die in Scientific Reports veröffentlicht wurde, stellt imec zusammen mit Sarcura ein On-Chip-Durchflusszytometer mit integrierter Photonik vor. Der auf der 200-mm-CMOS-Pilotlinie von imec hergestellte opto-fluidische Chip verfügt über einen bahnbrechenden Materialstapel, der sowohl die Beleuchtung der Zellen als auch die Erfassung des gestreuten Lichts durch Wellenleiteroptiken und die präzise Zuführung der Zellen zu den Detektionspunkten durch mikrofluidische Kanäle ermöglicht.

"Silizium-Photonik, wie sie in diesem neuartigen photonischen Chip erfolgreich demonstriert wurde, ist ein revolutionärer und wesentlicher Baustein, der die Möglichkeiten der Einzelzelldetektion mit massiver Parallelisierung auf einer dramatisch verkleinerten Grundfläche vereint. Dieser Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für die Bewältigung bisher ungelöster Herausforderungen bei Anwendungen wie der Herstellung von Zelltherapien", erklärt Daniela Buchmayr, CEO und Mitbegründerin von Sarcura.

Niels Verellen, wissenschaftlicher Direktor bei imec, bemerkte: "Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass ein monolithisch integrierter biophotonischer Chip verwendet werden kann, um optische Streustrahlung zu sammeln, die die Unterscheidung von Lymphozyten und Monozyten aus der Blutprobe eines Patienten ermöglicht und mit der Leistung kommerzieller Zytometer mithalten kann. Der Hauptvorteil liegt in der Möglichkeit der dichten Parallelisierung mehrerer Flusskanäle, um den Systemdurchsatz zu erhöhen." In einer nächsten Phase sollte das kompakte, ausrichtungsfreie Design die Identifizierung von Milliarden von Zellen innerhalb kurzer Zeit ermöglichen.

Entscheidend ist, dass sich die Chip-Architektur nahtlos in das zuvor von imec entwickelte Bubble-Jet-Zellsortiermodul integrieren lässt, das mit der Herstellung im Wafer-Maßstab kompatibel ist. Darüber hinaus können die photonischen Komponenten und das Layout auf die jeweiligen Anwendungen zugeschnitten werden. Dieser Proof-of-Concept stellt somit einen wesentlichen Schritt in Richtung kostengünstiger, skalierbarer und hochgradig parallelisierter Zellsortierplattformen dar.