Technologieforum Laser Photonik

Integrierte Photonik: Skalierbare On-Chip-Zellanalyse

Für das Verständnis von Krankheitsmechanismen und die Entwicklung gezielter und personalisierter Behandlungen in der modernen Medizin ist die Zellanalyse ein wichtiges Werkzeug. Seit dem Einzug der Zellproduktion lassen sich lebende Zellen nun so bearbeiten, dass sie als therapeutische Wirkstoffe dienen können, insbesondere bei bahnbrechenden Behandlungen 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 der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Zellpopulationen erlaubt, während sie an einem Laser vorbeifließen. Die derzeitige Umsetzung beinhaltet jedoch sperrige Instrumente, komplexe und manuelle Arbeitsabläufe, die ein Kontaminationsrisiko darstellen, sowie hohe Betriebskosten. Diese Herausforderungen behindern bisher die breite Verfügbarkeit und Anwendung von Zelltherapien in dezentralen Einrichtungen.

Integriert in CMOS-Technologie

Das belgische Forschungs- und Innovationszentrum Imec nutz nach eigenen Angaben seine Expertise in CMOS-Technologie, Photonik und Fluidik, um die Durchflusszytometrie zu automatisieren, zu miniaturisieren und zu parallelisieren. In einer Studie stellt Imec zusammen mit dem österreichischen Start-up Sarcura ein On-Chip-Durchflusszytometer mit integrierter Photonik vor. Der auf der 200-mm-CMOS-Pilotlinie von Imec hergestellte opto-fluidische Chip umfasst einen Materialstapel, der sowohl die Zellen beleuchtet als auch das gestreute Licht durch Wellenleiteroptiken erfasst und die Zellen präzise zu den Detektionspunkten durch mikrofluidische Kanäle leitet. Entscheidend ist auch, 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.

Querschnitt des Chip-Schichtstapels, der die Lichteinkopplung in den Chip, die Beleuchtung der Zellen sowie die Erfassung und Detektion der Zellstreusignale zeigt. Recht ein experimentelles Streudiagramm einer vollständigen mononukleären Messprobe aus peripherem Blut. Bild: Imec

 

“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“, erklärt Daniela Buchmayr, CEO und Mitbegründerin von Sarcura.Niels Verellen, wissenschaftlicher Direktor bei imec, ergänzt: “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, so Verellen, in der Möglichkeit der dichten Parallelisierung mehrerer Flusskanäle, um den Systemdurchsatz zu erhöhen.
In einer nächsten Phase sollte laut den Partnern das kompakte, ausrichtungsfreie Design die Identifizierung von Milliarden von Zellen innerhalb kurzer Zeit ermöglichen.

Originalpublikation:
[Jooken, S., Zinoviev, K., Yurtsever, G. et al. On-chip flow cytometer using integrated photonics for the detection of human leukocytes. Sci Rep 14, 10921 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-60708-0]

 

Quelle und Bild: www.imec-int.com



LinkedInYoutube