Zespół naukowców z George R. Brown School of Engineering and Computing na Uniwersytecie Rice opracował nowatorskie urządzenie oparte na sztucznej inteligencji (AI), które ma szansę zrewolucjonizować cytometrię przepływową. Nowe rozwiązanie umożliwia analizę komórek oraz cząstek w płynie za pomocą wiązki laserowej, oferując tańszą i bardziej dostępną alternatywę dla konwencjonalnych systemów tego typu.
Prototyp opracowanego urządzenia pozwala identyfikować i liczyć komórki w próbkach krwi bez potrzeby ich wcześniejszego oczyszczania, osiągając przy tym porównywalną dokładność do masywnych, kosztownych cytometrów przepływowych stosowanych w laboratoriach diagnostycznych. Kluczową zaletą tej nowej technologii jest jej niski koszt, kompaktowa budowa oraz szybkie uzyskiwanie wyników – co czyni ją niezwykle atrakcyjną dla zastosowań klinicznych, zwłaszcza w regionach o ograniczonych zasobach medycznych.
Za rozwój tego rozwiązania odpowiedzialni byli profesor Peter Lillehoj oraz profesor Kevin McHugh, których badania zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Microsystems and Nanoengineering.
Przełom w diagnostyce możliwy dzięki cytometrii przepływowej
Cytometria przepływowa, po raz pierwszy opracowana w latach 50. XX wieku, stała się „złotym standardem” w analizie komórek. Odgrywa fundamentalną rolę w immunologii, biologii nowotworów, wirusologii oraz wielu innych dziedzinach medycyny. Jest nieocenionym narzędziem diagnostycznym stosowanym w szpitalach i laboratoriach na całym świecie. Jednak z powodu wysokich kosztów oraz skomplikowanej obsługi, dostęp do tej metody jest często ograniczony do wysoko wyspecjalizowanych instytucji.
„Tradycyjna cytometria przepływowa wymaga potężnych urządzeń i zasobów, co znacząco ogranicza jej dostępność w mniej rozwiniętych regionach. Nasze innowacyjne podejście umożliwia przeprowadzanie tych badań w sposób znacznie prostszy i tańszy” – podkreśla profesor Lillehoj.
Cytometr bez pomp? Wykorzystanie przepływu grawitacyjnego
Większość klasycznych cytometrów przepływowych korzysta z zaawansowanych pomp i zaworów, które regulują przepływ cieczy. Ten system, choć skuteczny, znacząco zwiększa koszty i rozmiary urządzenia. Naukowcy z Rice University postanowili podejść do problemu inaczej i zastosowali mechanizm oparty na grawitacyjnie napędzanym przepływie śluzowym.
Studenci Desh Deepak Dixit oraz Tyler Graf, pracując pod kierunkiem Lillehoja i McHugha, opracowali mikrofluidyczny układ, który eliminuje zależność od pomp. Sekret tkwi w precyzyjnie kontrolowanym przepływie śluzowym – zamiast standardowego przepływu grawitacyjnego, gdzie prędkość cieczy zależy od ciśnienia hydrostatycznego, w nowym rozwiązaniu utrzymywana jest stała prędkość przepływu. To kluczowa innowacja, ponieważ stały przepływ pozwala uzyskać dokładniejsze wyniki w analizie i sortowaniu komórek.
Przepływ śluzowy to zjawisko znane z przemysłu chemicznego, naftowego oraz inżynierii płynów, ale po raz pierwszy zastosowano je w biologii medycznej. „Nie mamy wiedzy o żadnym innym przypadku, w którym przepływ śluzowy sterowany grawitacyjnie zostałby wykorzystany w zastosowaniach biomedycznych” – zwraca uwagę profesor Lillehoj.
AI w służbie szybkiej analizy komórek układu odpornościowego
Drugą kluczową innowacją w badaniu było wykorzystanie sztucznej inteligencji do szybkiego i precyzyjnego liczenia specyficznych komórek układu odpornościowego – limfocytów CD4+ T bez konieczności oczyszczania próbek krwi.
Liczba komórek CD4+ T jest ważnym wskaźnikiem zdrowia immunologicznego. Używa się jej jako markera diagnostycznego przy chorobach nowotworowych oraz infekcjach, takich jak HIV/AIDS czy COVID-19. Aby umożliwić ich dokładne liczenie, naukowcy użyli mikrokoralików pokrytych przeciwciałami anty-CD4+, które selektywnie wiążą się z odpowiednimi komórkami w próbce krwi.
Próbka przepływa następnie przez mikrofluidyczny chip, a obraz ruchu komórek rejestruje kamera optyczna pod mikroskopem. Cały proces wspomaga zaawansowana sieć neuronowa – rodzaj algorytmu stosowanego w rozpoznawaniu obrazów, który pozwala wyodrębnić i zliczyć tylko te komórki, które zostały oznaczone mikrokoralikami.
„Identyfikacja limfocytów CD4+ T bez konieczności oczyszczania krwi to tylko jedno z potencjalnych zastosowań tej technologii. Możemy łatwo dostosować ją do analizy różnych typów komórek biologicznych, używając odpowiednio dobranych przeciwciał. Wierzymy, że nasze rozwiązanie może zrewolucjonizować diagnostykę i badania nad chorobami w przyszłości” – podkreśla profesor McHugh.
Badania te były częściowo finansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) oraz Uniwersytet Rice, a ich rezultaty otwierają nowe możliwości w medycynie precyzyjnej i diagnostyce punktowej.
