Onderzoekers van het Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) hebben een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van lab-on-chip-technologie. Binnen het Europese onderzoeksproject BLOC slaagden zij erin om voor het eerst een compacte NMR-spectrometer te integreren met een microfluïdisch celkweeksysteem dat metabolische processen van cellen in realtime kan volgen.
Dankzij zogeheten quantum-enhanced NMR-technieken kon de gevoeligheid van de metingen sterk worden verhoogd. De resultaten van het BLOC onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Analytical Chemistry.
Nieuwe aanpak
Het meten van metabolische processen in levende cellen is essentieel om beter te begrijpen hoe cellen functioneren, hoe ziekten ontstaan en hoe cellen reageren op behandelingen. Traditionele methoden voor metabolische analyse zijn echter vaak afhankelijk van offline assays of van grootschalige, dure NMR-systemen die grote hoeveelheden materiaal vereisen.
Hoewel NMR-spectroscopie bekendstaat om het vermogen om verschillende chemische stoffen niet-invasief te onderscheiden, is de techniek van nature weinig gevoelig. Vooral in microfluïdische systemen vormt dat een uitdaging, omdat de beschikbare monstervolumes zeer klein zijn en metabolische processen snel veranderen.
Hyperpolarisatie verhoogt gevoeligheid
In het nieuwe systeem combineren de onderzoekers een benchtop-NMR-spectrometer met de zogenoemde dissolution Dynamic Nuclear Polarization (dDNP)-techniek. Deze hyperpolarisatiemethode verhoogt de nucleaire spinpolarisatie aanzienlijk en versterkt daardoor het NMR-signaal met meerdere ordes van grootte.
Door deze signaalversterking kunnen metabolische veranderingen in realtime worden gemeten in cellen die groeien in microfluïdische chips. Het systeem maakt het mogelijk om metabolieten te volgen terwijl ze door cellen worden opgenomen en omgezet. Het project BLOC (Benchtop NMR for Lab-on-a-Chip) liep van januari 2020 tot december 2023 en werd gecoördineerd door Irene Marco-Rius, principal investigator van de onderzoeksgroep Molecular Imaging for Precision Medicine bij IBEC.
Inzicht in dynamische celprocessen
Voor de integratie van NMR met microfluïdica ontwikkelden de onderzoekers een aangepast detectiesysteem en een nauwkeurig gecontroleerde vloeistofstroom. Hierdoor kunnen hypergepolariseerde metabolieten direct in het celkweeksysteem worden geïntroduceerd en tijdens hun metabolische omzetting worden gevolgd.
Deze aanpak maakt het mogelijk om kinetische gegevens van metabolische reacties te verzamelen zonder de celkweek te onderbreken of grote aantallen cellen te gebruiken. Dat biedt belangrijke voordelen bij onderzoek met zeldzame of kostbare biologische monsters.
Volgens eerste auteur Marc Azagra vormt het systeem een belangrijke stap voorwaarts in zogenoemde on-chip metabolomics: “Door hyperpolarisatie te combineren met compacte NMR-technologie kunnen we de prestaties van high-field NMR dichter bij praktische lab-on-chip-toepassingen brengen.”
Onderzoek en precisiegeneeskunde
De onderzoekers verwachten dat de technologie brede toepassingen kan krijgen binnen de levenswetenschappen, geneesmiddelenontwikkeling en precisiegeneeskunde. Het realtime volgen van metabolische routes op miniaturiseerde platforms kan bijvoorbeeld helpen bij het bestuderen van cellulaire reacties op geneesmiddelen of bij het screenen van metabolische modulatoren.
Daarnaast kan de technologie worden geïntegreerd met andere lab-on-chip-systemen, zoals modellen van organoïde weefsels. Volgens Marco-Rius kan de combinatie van compacte NMR, microfluïdica en hyperpolarisatie uiteindelijk uitgroeien tot een standaardinstrument voor dynamische biologische analyses. “Zo kunnen we spectroscopische informatie rechtstreeks koppelen aan de microschaal waarop cellulaire processen plaatsvinden.”
