Il futuro è micro grazie alla tecnologia Lab-on-a-chip

Il termine Lab-On-a-Chip (LOC) (Fig. 1) indica un dispositivo che integra funzioni multiple di laboratorio in un singolo chip, avente dimensioni comprese tra pochi millimetri e qualche centimetro quadrato, capace di trattare volumi di fluidi estremamente piccoli, nell’ordine dei picolitri. I dispositivi lab-on-a-chip sono un sottogruppo dei dispositivi MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) e spesso indicati anche come Micro Total Analysis Systems (µTAS).

Figura 1 – Esempio di dispositivo lab-on-a-chip dotato di microtecnologia elettronica per analisi automatizzate di campioni di diversa natura.

Le tecnologie lab-on-a-chip stanno diventando uno strumento diagnostico estremamente utile per i medici in quanto possono essere significativamente più veloci, portabili, facili da utilizzare e in grado di richiedere volumi inferiori di campionamento, rispetto alle tecnologie attuali, per rilevare eventuali patologie. L’obiettivo è ridurre a un singolo chip di vari materiali (silicio, grafene, termopolimeri) (Fig. 2) tutti i test necessari per l’analisi di una malattia che normalmente dovrebbe essere eseguita in un laboratorio di biochimica su vasta scala.

Figura 2 – Struttura generica delle componenti di un dispositivo lab-on-a-chip.

In particolare, attraverso questa classe di dispositivi, in crescente evoluzione ed ottimizzazione, potrebbero essere implementati moltissimi test appartenenti alle più disparate discipline scientifiche (biochimica, biologia molecolare, microbiologia, chimica farmaceutica, chimica analitica, ecc.) come: real-time PCR, immunoassay, dielettroforesi, estrazione e sequenziamento di DNA e RNA, genotipizzazione, manipolazione genica, analisi di cellule singole, analisi della motilità cellulare, analisi del sangue, studio di farmaci, approcci di ingegneria tissutale, colture 3D, studio delle interazioni cellulari, studi di biologia sintetica, analisi di qualità su matrici ambientali e/o alimentari e molto altro (Fig. 3).

Figura 3 – Schema esemplificativo di alcuni dei principali test molecolari e cellulari conducibili mediante il lab-on-a-chip.

Per quel che concerne la storia di questa microtecnologia, il primo sistema di analisi su tecnologia lab-on-a-chip fu un gas-cromatografo, sviluppato nel 1975 da S.C. Terry alla Stanford University. Tuttavia, solo nei primi anni ‘90, la ricerca sui lab-on-a-chip iniziò a crescere seriamente grazie all’invenzione di micro-pompe e sensori di flusso, e allo sviluppo del concetto di trattamento integrato dei fluidi per i sistemi di analisi.

Un grande passo in avanti nello sviluppo di questa tecnologia fu effettuato nella seconda metà degli anni ‘90, grazie all’invenzione di strumenti µTAS utili per le applicazioni genomiche, come l’elettroforesi capillare e il DNA microarray. Inoltre, un significativo supporto a questa ricerca venne anche dalle forze armate, specialmente dal DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), per il loro interesse nello sviluppo di sistemi portatili di rilevamento di agenti biochimici durante le guerre.

Un esempio di successo per i LOC nelle scienze della vita è stato lo sviluppo di analisi Patch-Clamp (Automated patch clamp chips) che hanno permesso di incrementare drasticamente i risultati per i test sui farmaci nelle industrie di questo settore.

Inoltre, recentemente, i ricercatori dell’istituito di ricerca IBM di Zurigo hanno sviluppato una nuova tecnologia LOC (Fig. 4), descritta sulla rivista Nature Nanotechnology, in grado, per la prima volta, di separare le particelle biologiche su scala nanometrica (fino a 20 nm). Ciò potrebbe potenzialmente consentire ai medici di rilevare patologie, come le neoplasie, prima della comparsa dei sintomi.

Figura 4 – Fotografia del dispositivo lab-on-a-chip messo a punto dai ricercatori del centro di ricerca IBM di Zurigo.

Si tratta di un ordine di grandezza che dà accesso alle particelle più importanti, quali DNA, virus ed esosomi. Una volta isolate, queste particelle possono essere analizzate per rivelare eventuali patologie in una fase in cui i risultati delle eventuali terapie sarebbero molto più efficaci. Fino ad oggi, la particella più piccola in grado di essere isolata in base alle dimensioni, utilizzando tecnologie on-chip, era circa 50 volte più grande (ad esempio la separazione di cellule tumorali in circolo da altre componenti biologiche).

Ad oggi, però, l’applicazione dei LOC è ancora limitata ed in fase di sviluppo. Si pensa che la ricerca nei sistemi LOC possa ulteriormente espandersi a seguito dell’ulteriore riduzione delle componenti di trattamento dei fluidi usando la nanotecnologia. Nano-canali, labirinti di DNA, rilevamento delle singole cellule e nano-sensori potrebbero dar vita a nuove tipologie di interazioni con le cellule e le grandi molecole.

 

Sitografia

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Bibliografia

  • Edwin Oosterbroek & A. van den Berg (2003) Lab-on-a-Chip: Miniaturized systems for (bio)chemical analysis and synthesis. Elsevier Science, 402. ISBN 0-444-51100-8.
  • Geschke, Klank & Telleman (2004) Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices. John Wiley & Sons. ISBN 3-527-30733-8.
  • Benjamin H. Wunsch, Joshua T. Smith, Stacey M. Gifford, Chao Wang, Markus Brink, Robert Bruce, Robert H. Austin, Gustavo Stolovitzky, Yann Astier (2016) Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20nm. Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134

 Crediti immagini

  • http://www.medicaldevice-developments.com/features/featuredigital-watch—micro-and-nanotechnology-innovation-5665708/featuredigital-watch—micro-and-nanotechnology-innovation-5665708-2.html
  • https://www.researchgate.net/publication/275773233_Graphene-protein_field_effect_biosensors_Glucose_sensing/figures?lo=1
  • https://www.researchgate.net/publication/255177300_Cell_chips_as_new_tools_for_cell_biology_-_results_perspectives_and_opportunities/figures?lo=1
  • http://www.silicon.co.uk/e-innovation/science/ibm-nanoscale-lab-on-a-chip-195918?inf_by=5a7eea90681db8705d8b4ca7
  • http://www.sle.sharp.co.uk/sharp/apps/sle-web/research/health_medical/index.html

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
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