En un avanç significatiu per a la tecnologia de laboratori en un xip, investigadors de l’IBEC dins del marc del projecte europeu BLOC (Benchtop NMR for lab-on a-xip), han desenvolupat la primera integració d’un espectròmetre de ressonància magnètica nuclear (RMN) de sobretaula amb una plataforma de cultiu cel·lular microfluídic, amb l’objectiu de monitorar el metabolisme cel·lular en temps real. L’avanç ha estat possible per la utilització de tècniques de RMN millorades quànticament que augmenten dràsticament la sensibilitat al senyal.
L’anàlisi metabòlica de cèl·lules vives in vitro és fonamental per a comprendre la fisiologia cel·lular, els mecanismes de les malalties i les respostes als tractaments. Els mètodes tradicionals per al seguiment del metabolisme solen basar-se en assajos no integrats al procés experimental o en instruments sofisticats d’alt camp, que són costosos i requereixen grans volums de mostra. La espectroscopía de Ressonància Magnètica Nuclear (RMN), amb la seva capacitat inigualable per a diferenciar espècies químiques de forma no invasiva, ha promès durant molt de temps una àmplia comprensió dels processos bioquímics, però la seva baixa sensibilitat inherent ha limitat el seu ús en contextos a microescala. Aquest desafiament és especialment significatiu en plataformes microfluídiques, on els volums de mostra són mínims i els processos metabòlics evolucionen dinàmicament.
L’estudi recentment publicat en la revista Analytical Chemistry presenta un espectròmetre de RMN de sobretaula adaptat per a la dissolució de Polarització Nuclear Dinàmica (dDNP), una tècnica de hiperpolarització que potencia la polarització d’espín nuclear molt més allà de l’equilibri tèrmic, incrementant la intensitat del senyal de RMN en diversos ordres de magnitud. Aprofitant aquesta millora, els autors van poder superar les limitacions clàssiques de sensibilitat del maquinari compacte de RMN i detectar canvis metabòlics en temps real en cultius cel·lulars que flueixen a través de dispositius microfluídics personalitzats. El desenvolupament d’aquesta nova tecnologia va ser el principal objectiu del BLOC: RMN de laboratori per a l’a-xip en laboratori, un projecte europeu realitzat de l’1 de gener de 2020 al 31 de desembre de 2023, coordinat per Irene Marco-Rius, investigadora principal del grup d’Imatge Molecular per a Medicina de Precisió en l’Institut de Bioinginyeria de Catalunya (IBEC).
La integració del RMN de sobretaula amb microfluídica va implicar una enginyeria acurada del sistema de detecció i el maneig de fluids, permetent observar metabòlits hiperpolaritzats introduïts a l’entorn de cultiu cel·lular mentre eren absorbits i transformats per les cèl·lules. Aquest enfocament proporciona dades cinètiques sobre reaccions metabòliques sense interrompre el cultiu ni requerir grans poblacions cel·lulars, un avantatge clau per a estudis de mostres biològiques rares o valuoses. Els investigadors van demostrar que era possible observar contínuament les conversions metabòliques crucials, la qual cosa oferia una visió detallada de l’estat bioquímic de les cèl·lules estudiades.
Els resultats suposen una fita per a la metabolómica en un xip: una plataforma compacta i rendible de RMN capaç de permetre l’observació directa de fluxos metabòlics dinàmics en sistemes microfluídics. Aprofitant la hiperpolarització, la tecnologia tanca la bretxa entre el rendiment en RMN d’alt camp i les necessitats pràctiques de l’anàlisi de laboratori en xip, declara Marc Azagra, primer autor de l’estudi.
De cara al futur, aquesta recerca obre perspectives prometedores per a una àmplia gamma d’aplicacions en ciències de la vida, descobriment de fàrmacs i medicina de precisió. La capacitat de rastrejar vies metabòliques en temps real en plataformes miniaturitzades podria transformar la forma en què es dissenyen i interpreten els experiments, permetent estudis longitudinals de respostes cel·lulars, cribatge d’alt rendiment de moduladors metabòlics i integració amb altres mòduls de laboratori en xip, com a teixits que mimetitzen òrgans.
A mesura que la tecnologia de RMN de laboratori continua madurant, la seva combinació amb microfluídica i hiperpolarització podria convertir-se en una eina crucial per l’anàlisi biològic dinàmic, aportant informació espectroscòpica rica directament a l’escala de microambients cel·lulars, conclou Irene Marco-Rius.
El projecte BLOC ha estat finançat pel programa “European Union’s Horizon 2020 research and innovation”, sota el número 863037.
Article de referència
Marc Azagra, Hetal Patel, Alejandro Portela, Dian Weerakonda, Behdad Aghelnejad, Jose Yeste, Gergő Matajsz, Marc Dubois, Matthew Fallon, Tryfon Antonakakis, Javier Ramón-Azcón, Irene Marco-Rius. Lab-on-a-Chip Metabolic Analysis Using Benchtop NMR Technology. Anal. Chem. 2026, 98, 2701−2708, DOI 10.1021/acs.analchem.5c04319
