Het membraan dat de cellen omringt, fungeert als een selectieve barrière, het wiegen en beschermen van de inhoud van de cel tegen de externe omgeving en kiezen welke stoffen de cel in of uit willen laten. Wetenschappers hebben daarom moeite gehad om efficiënte methoden te ontwikkelen voor het leveren van nanomaterialen, zoals DNA, eiwitten en medicijnen, in cellen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Korea, in samenwerking met de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), hebben een snelle en efficiënte toedieningsmethode ontwikkeld die de kracht van een kleine vloeistofvortex gebruikt om de celmembranen te vervormen. Hun bevindingen werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift, ACS Nano .

"De huidige methoden hebben veel beperkingen, inclusief problemen met schaalbaarheid, kosten, lage efficiëntie en cytotoxiciteit, " zei professor Aram Chung van de School of Biomedical Engineering aan de Korea University, die de studie leidde. "Ons doel was om microfluïdica te gebruiken, waar we het gedrag van kleine stroompjes water uitbuitten, om een ​​krachtige nieuwe oplossing voor intracellulaire levering te ontwikkelen."

Het nieuwe apparaat - een microfluïdische chip die een 'spiraal hydroporator' wordt genoemd - kan elke minuut nanomaterialen in ongeveer een miljoen cellen afleveren. met een efficiëntie tot 96%. Bovendien, het hele proces wordt bereikt zonder de cellen onomkeerbaar te beschadigen, met tot 94% van de cellen die het proces overleven.

"De chips zijn echt betaalbaar om te maken en eenvoudig te gebruiken, " zei professor Chung. "Je pompt gewoon een vloeistof met de cellen en nanomaterialen in twee uiteinden, en de cellen - die nu het nanomateriaal bevatten - stromen uit de andere twee uiteinden. Het hele proces duurt slechts één minuut."

Meegaan met de stroom

Om het apparaat te maken, de wetenschappers ontwierpen de kanalen in de microfluïdische chip in een specifieke configuratie, met een cross-junction in het midden van de chip en twee T-junctions boven en onder.

Toen de wetenschappers van de Korea University voor het eerst bestudeerden hoe verschillende kanaalgeometrieën en stroomsnelheden de cellen beïnvloedden, één specifiek scenario - een kruispunt waar matig stromende vloeistofstromen uit tegengestelde richtingen op elkaar botsten - viel op als eigenaardig.

"We zagen een heel interessant gedrag van de cellen, waar ze dansten in het midden van het kanaal, zei professor Chung.

Door een fluorescerende kleurstof toe te voegen aan een van de vloeistofstromen, de onderzoekers ontdekten dat er zich een spiraalvormige draaikolk had gevormd.

"We wilden de vloeistofmechanica die dit effect veroorzaakt volledig begrijpen, en de Micro/Bio/Nanofluids Unit onder leiding van professor Amy Shen van OIST werkte al aan het probleem, ’ voegde professor Chung eraan toe.

De twee groepen wetenschappers gingen daarom samenwerken. Met behulp van de OIST-supercomputer, de OIST-eenheid ontwikkelde en voerde simulaties uit van hoe de tegenovergestelde vloeistofstromen op elkaar inwerkten op de kruising, met verschillende stroomsnelheden.

"Bij een laag debiet, we ontdekten dat de twee botsende vloeistofstromen symmetrisch uit elkaar gingen en wegstroomden van de kruising, zoals gedocumenteerd in de literatuur, " zei OIST-wetenschapper, Dr Simon Haward. "Echter, toen we de stroomsnelheid verhoogden, we zagen instabiliteiten ontstaan ​​waardoor meerdere wervelingen ontstonden, uiteindelijk samensmelten tot één grote spiraalvormige vortex."

"Onze simulatie verklaarde de ongewone verschijnselen die de groep van Chung had waargenomen en liet precies zien hoe bepaalde parameters, zoals stroomsnelheid, beïnvloede vortexvorming, " voegde OIST postdoctoraal onderzoeker toe, Dr. Daniel Carlson.

De vorming van de vortex is de sleutel tot de snelle en effectieve levering van nanomaterialen in de cellen. Als elke cel in het midden van de kruising komt, de kracht van de spiraalvormige vortex vervormt de cel, waardoor kleine nanogaatjes in het membraan ontstaan. De nanomaterialen in de vloeistof kunnen dan via deze nanogaatjes de cel in. De cellen worden dan weggevaagd van de kruising en botsen met de wanden van de T-juncties, wat verdere vervorming van het celmembraan veroorzaakt en de efficiëntie van levering verhoogt. Na vervorming, de nanogaatjes in het membraan sluiten zichzelf weer af en het membraan wordt gerepareerd.

Celbiologisch onderzoek stimuleren

Met behulp van spiraal hydroporatie, het team van de Korea University was in staat om specifieke nanomaterialen in cellen af ​​te leveren, waaronder RNA en gouden nanodeeltjes.

Efficiëntere en goedkopere levering van DNA, RNA en eiwitten zoals CRISPR-Cas9 in grote aantallen cellen zouden kunnen helpen bij onderzoek naar onderwerpen als gentherapie, kankerimmunotherapie en stamcellen, zei Chung.

Gouden nanodeeltjes kunnen ook worden gebruikt voor het afleveren van medicijnen, beeldvorming van moleculen en organellen in cellen, en voor het diagnosticeren van ziekten.

"Algemeen, er is een breed scala aan toepassingen voor spiraalvormige hydroporatie en de belangstelling voor de chip was erg groot, " zei professor Chung. "Onderzoekers hebben een efficiëntere, eenvoudig, snelle en goedkope manier van intracellulaire levering - onze chip is een geweldige nieuwe manier om dat doel te bereiken."