Un team della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis e del Massachusetts Institute of Technology ha creato un metodo microfluidico acustico che offre nuove opportunità per condurre esperimenti con cellule natatorie e microrganismi.
I ricercatori della Washington University hanno creato un metodo microfluidico acustico che offre nuove opportunità di sperimentare con cellule e microrganismi che nuotano. Questa immagine mostra l’intrappolamento acustico e il rilascio (a sinistra) e le cellule intrappolate con forma d’onda sincrona (in alto a destra) e asincrona (in basso a destra). Credito immagine: Meacham lab/Washington University
“Le cellule che i nostri collaboratori studiano sono potenti nuotatori per le loro dimensioni, e quindi le forze necessarie per intrappolarle sono notevoli”, ha detto J.Mark Meacham, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering e autore senior dell’articolo, pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences. “Nei nostri dispositivi, le onde ultrasoniche come quelle utilizzate per l’imaging sono in grado di mantenere in posizione il corpo di una cellula senza influire sul modo in cui nuota”.
Le cellule utilizzate nella ricerca erano l’alga unicellulare Chlamydomonas reinhardtiiun organismo modello utilizzato per studiare il movimento delle ciglia, minuscole strutture simili a capelli che muovono i fluidi e spingono le cellule.
Il nuovo approccio è stato motivato dal lavoro passato nei laboratori di Philip Bayley, il Lee Hunter Distinguished Professor e presidente del Dipartimento di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, che ricerca il movimento delle ciglia, e Susan Olandese, professore di genetica alla Washington University School of Medicine, esperto di struttura e funzione delle ciglia, entrambi coautori dell’articolo. Meacham ha sviluppato il metodo e i dispositivi con il primo autore Mingyang Cuiche ha conseguito un master e un dottorato in ingegneria meccanica presso la McKelvey Engineering rispettivamente nel 2017 e nel 2021, ed è ora ricercatore post-dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology.
C. reinhardtii le cellule sono microscopiche – e le loro ciglia sono ancora più piccole – ma nuotano per circa 10 lunghezze corporee al secondo. Anche le loro ciglia battono da 60 a 70 volte al secondo.
“Il campo visivo alla risoluzione necessaria per vedere il movimento delle ciglia è tale che le cellule nuotano fuori e si allontanano da dove stai guardando molto rapidamente”, ha detto Meacham. “È difficile studiare il loro comportamento nel nuoto senza intrappolare le cellule in qualche modo”.
Cui ha superato il problema dell’intrappolamento utilizzando una combinazione di due tipi di onde acustiche. Un’onda acustica di superficie crea vibrazioni che viaggiano lungo la superficie di un materiale e un’onda acustica di massa è generata dalle vibrazioni superficiali nel fluido in cui si trovano le cellule.
“Le cellule sono trattenute da onde acustiche nel fluido in quelli che vengono chiamati nodi o regioni a bassa pressione”, ha detto Meacham. “Volevamo utilizzare le onde acustiche di superficie perché consentono frequenze più alte che danno trappole più piccole con una minore distanza tra loro e che offre un migliore controllo sulle celle che stai cercando di manipolare”.
Sfortunatamente, i dispositivi convenzionali a onde acustiche di superficie non sono efficienti quanto le loro controparti a onde acustiche di massa, ed è necessaria l’efficienza per generare una forza di intrappolamento sufficiente su queste celle per trattenerle senza che il dispositivo si surriscaldi.
“Qualsiasi inefficienza porta al riscaldamento, e questo uccide le cellule”, ha detto Meacham. “Mingyang ha ideato una struttura del dispositivo in cui viene utilizzato un microcanale di vetro, che può convertire le onde acustiche di superficie in onde acustiche di massa per migliorare l’efficienza. L’uso del vetro ci consente anche di utilizzare la microscopia ad immersione in olio ad alta risoluzione.
“Dopo aver risolto queste sfide pratiche, potremmo concentrarci sugli altri vantaggi dell’intrappolamento acustofluidico”, ha affermato Meacham. “L’esigenza fondamentale per i nostri collaboratori era intrappolare queste cellule senza limitarne la rotazione. L’intrappolamento acustico lo consente perché non contatta direttamente le cellule.
In precedenza, per studiare questi nuoto C. reinhardtii cellule, i ricercatori hanno utilizzato una pipetta di aspirazione per tenere la cellula in posizione mentre le ciglia venivano riprese. Tuttavia, ciò non consente al corpo cellulare di muoversi nemmeno un po ‘in risposta al battito delle ciglia, limitando in particolare la rotazione della cellula, che è il movimento naturale quando nuota.
“Pensalo come un tapis roulant per questi micronuotatori, e il campo acustico fornisce un modo per mantenere la cellula in posizione senza influenzare il movimento delle ciglia o nuotare nello spazio tridimensionale”, ha detto Meacham.
Il dispositivo ha anche ulteriori vantaggi per il lavoro sperimentale con i micronuotatori.
“Possiamo creare da 25 a 30 trappole contemporaneamente ed eseguire tutte le analisi delle cellule intrappolate in parallelo”, ha affermato Meacham. “Non puoi farlo con una micropipetta, non è fisicamente possibile. In questo modo è possibile eseguire rapidamente misurazioni su un numero maggiore di celle.”
Bayly si è detto entusiasta delle implicazioni di questo lavoro per comprendere la motilità cellulare.
“I risultati di Mingyang suggeriscono che il metodo non influisce in alcun modo sul nuoto, ma il grande impatto potrebbe risiedere nella flessibilità dell’approccio per intrappolare cellule o microrganismi che nuotano in questo intervallo di dimensioni”, ha affermato Bayly. “Ora è possibile eseguire una serie di nuovi esperimenti per rispondere a domande biologiche senza risposta utilizzando l’intrappolamento acustico per fornire un ambiente controllato affinché l’esperimento abbia luogo”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
