Newswise – Angenommen, Sie müssen eine einzelne Zelle von einem Ort an einen anderen verschieben. Wie würden Sie tun? Vielleicht eine spezielle Pinzette? Eine kleine Schaufel?

Tatsache ist, dass die Manipulation einzelner Zellen eine schwierige Aufgabe ist. Einige Arbeiten wurden an sogenannten optischen Pinzetten durchgeführt, die Zellen mit Lichtstrahlen anstupsen können, aber obwohl sie eine einzelne Zelle effektiv bewegen können, sind sie nicht dazu gedacht, eine größere Anzahl von Zellen zu manipulieren.

Neue Forschungen am Caltech haben eine Alternative geschaffen: luftgefüllte Proteine, die von gentechnisch veränderten Zellen produziert werden und – zusammen mit den Zellen, die sie enthalten – durch Ultraschallwellen gepusht werden können. Ein Artikel, der die Arbeit beschreibt, erscheint in der Zeitung Wissenschaftliche Fortschritte.

Die Arbeit baut auf früheren Arbeiten auf, die im Labor von durchgeführt wurden Michail ShapiroProfessor für Chemieingenieurwesen und Medizintechnik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute.

Shapiro arbeitet seit Jahren mit aus Bakterien gewonnenen Gasbläschen als akustische Markierung. Diese Vesikel, bei denen es sich um luftgefüllte Proteinkapseln handelt, verleihen einigen Arten von Wasserbakterien Auftrieb. Aber sie haben noch eine weitere nützliche Eigenschaft: Aufgrund ihres luftgefüllten Inneren fallen sie in der Ultraschallbildgebung recht stark auf. Shapiros Entdeckung dieser Qualität veranlasste sein Labor, Gasbläschen als genetischen Marker für zu entwickeln Verfolgen Sie die Position einzelner Bakterienzellenund für beobachten Sie die Genexpressionsaktivität in Säugerzellen tief im Körper.

Jetzt haben Shapiro und seine Kollegen gezeigt, dass diese Vesikel unter dem Einfluss von Ultraschall Zellen an bestimmten Stellen schieben und ziehen können. Das Phänomen ist dem sehr ähnlich, wie Luftultraschall verwendet werden kann, um kleine, leichte Objekte aufzuhängen und/oder zu bewegen. Dies liegt daran, dass Schallwellen Druckbereiche erzeugen, die auf nahe Objekte einwirken. Die physikalischen Eigenschaften eines Objekts oder Materials bestimmen, ob es von einem Hochdruckgebiet angezogen oder abgestoßen wird. Normale Zellen werden von Bereichen mit höherem Druck abgestoßen, aber Zellen, die Gasbläschen enthalten, werden zu ihnen gezogen.

„Wir haben diese Vesikel schon einmal für die Bildgebung verwendet, und dieses Mal haben wir gezeigt, dass wir sie tatsächlich als Aktuatoren verwenden können, damit wir mit Ultraschall Kraft auf diese Objekte ausüben können“, sagt Di Wu (MS ’16, PhD ’21 ), Forscher in Shapiros Labor und Hauptautor der Studie. „Damit können wir Zellen per Ultraschall durch den Weltraum bewegen und das sehr selektiv.“

Shapiro und Wu sagen, dass es einige Gründe gibt, warum Sie vielleicht Zellen bewegen möchten. Einerseits erfordert Tissue Engineering – die Herstellung von künstlichem Gewebe für Forschungs- oder medizinische Zwecke – die Anordnung von Zellen bestimmter Typen in komplexen Mustern. Ein künstlicher Muskel benötigt beispielsweise mehrere Schichten von Muskelzellen, Zellen, die Sehnen bilden, und Nervenzellen.

Ein weiterer Fall, in dem Sie möglicherweise Zellen bewegen möchten, ist die Zelltherapie, ein Bereich der Medizin, in dem Zellen mit wünschenswerten Eigenschaften in den Körper eingebracht werden.

„Sie führen modifizierte Zellen in den Körper ein und sie gehen überall hin, um ihr Ziel zu finden“, sagt Di. „Aber mit dieser Technologie haben wir möglicherweise eine Möglichkeit, sie an die gewünschte Stelle im Körper zu führen.“

Zur Demonstration zeigte das Team, dass Zellen, die Gasbläschen enthalten, gezwungen werden können, sich zu einer kleinen Kugel zusammenzuballen, oder in dünnen Streifen angeordnet oder an die Ränder eines Behälters gedrückt werden. Wenn sie das Ultraschallmuster änderten, „tanzten“ die Zellen zu neuen Positionen. Sie entwickelten auch ein Ultraschallmodell, das Zellen in Form des Buchstabens „R“ in ein Gel drückte, das sie nach dem Erstarren in dieser Form hielt. Sie nennen die resultierende Figur ein „akustisches Hologramm“.

Laut Wu ist ein Bereich, in dem ihre Forschung das Potenzial hat, unmittelbare Auswirkungen zu haben, die Zellsortierung, ein Prozess, der für verschiedene Arten biologischer und medizinischer Forschung erforderlich ist.

„Ein gängiger Weg, Zellen jetzt zu sortieren, besteht darin, sie so zu manipulieren, dass sie ein fluoreszierendes Protein exprimieren, und dann einen fluoreszenzaktivierten Zellsortierer (FACS) zu verwenden“, sagt er. „Es ist ein 300.000-Dollar-Gerät, das sperrig ist, oft in einem Biosicherheitsschrank lebt und Zellen nicht sehr schnell sortiert.“

„Im Gegensatz dazu kann die akusto-fluidische Sortierung mit einem sehr kleinen Chip durchgeführt werden, der vielleicht 10 Dollar kostet. Der Grund für diesen Unterschied ist, dass man bei der fluoreszierenden Sortierung die Genexpression der Zellen und dann die Bewegung separat messen muss. Es ist erledigt jeweils eine Zelle. Mit der Expression von Gasbläschen steht die Genetik der Zelle in direktem Zusammenhang mit der Kraft, die auf die Zelle ausgeübt wird. Wenn sie Gasbläschen exprimieren, werden sie einer anderen Kraft ausgesetzt, also brauchen wir sie nicht Um separat zu prüfen, ob sie Gasbläschen exprimieren und sie dann zu bewegen, können wir sie alle auf einmal bewegen.

Der Artikel, der die Forschung beschreibt, mit dem Titel „Biomolecular Actuators for the Genetically Selective Acoustic Manipulation of Cells“, erscheint im Februar. Wissenschaftliche Fortschritte. Weitere Co-Autoren sind Colin Cook, ehemaliger Doktorand für Medizintechnik am Caltech (MS ’16, PhD ’19), der jetzt Stipendiat der Stadt der Hoffnung ist; und David R. Mittelstein (MS ’16, PhD ’20), der jetzt niedergelassener Arzt bei Scripps Health ist; ehemaliger Postdoktorand David Maresca, der jetzt Assistenzprofessor an der Technischen Universität Delft, Niederlande, ist; Maria Abundo, Doktorandin der Caltech-Chemietechnik, und Mengtong Duan, Justin Lee und Shirin Shivaei, Doktoranden der Biotechnik; Dina Malounda vom Howard Hughes Medical Institute, Diego Baresch von der Universität Bordeaux in Frankreich; Zhichao Ma vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, Deutschland; Tian Qiu von der Universität Stuttgart, Deutschland; und Peer Fischer vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung und der Universität Heidelberg in Heidelberg, Deutschland.

Die Finanzierung der Forschung wurde von den National Institutes of Health, dem Collaborative Biotechnology Institute der US-Armee, der David and Lucile Packard Foundation und dem Pew Charitable Trust bereitgestellt. Mikhail Shapiro ist Fakultätsmitglied der Tianqiao und Chrissy Chen Institut für Neurowissenschaften am Caltech.