Door levende cellen te behandelen als kleine absorberende sponzen, onderzoekers hebben een potentieel nieuwe manier ontwikkeld om moleculen en therapeutische genen in menselijke cellen te introduceren.

De techniek comprimeert eerst cellen in een microfluïdisch apparaat door ze snel door een reeks kleine "verkeersdrempels" te laten stromen die in de microkanalen zijn ingebouwd. die kleine hoeveelheden vloeistof - bekend als cytosol - uit de cellen comprimeert. De cellen herstellen zich dan vanzelf en vullen zichzelf weer aan, omringende vloeistof opzuigen en macromoleculen of genen erin mengen. Hoewel de abrupte botsingen het celvolume met maar liefst 30 procent kunnen verminderen, de cellen herstellen snel en minder dan vijf procent van de cellen ervaart levensvatbaarheidsverlies.

De nieuwe techniek staat bekend als celvolume-uitwisseling voor convectieve overdracht, of cel VECT. Er wordt aangenomen dat dit het eerste compressieproces is dat een zeer tijdelijke uitwisseling van celvolume veroorzaakt door gebruik te maken van het vermogen van cellen om hun cytosol te verliezen en snel te herstellen. Het onderzoek, die werd gesteund door de National Science Foundation, National Institutes of Health en Wallace H. Coulter Foundation, werd op 17 april online gerapporteerd door het tijdschrift Materialen vandaag .

"We profiteren van een intrinsieke mechanische eigenschap van cellen, " zei Anna Liu, een doctoraat kandidaat in het laboratorium van universitair hoofddocent Todd Sulchek in de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "Als cellen plotseling worden gecomprimeerd gedurende een periode van microseconden, ze verliezen een deel van hun volume. De cellen wisselen volume uit met de vloeistof om hen heen, en dat is wat hen in staat stelt om via convectie macromoleculen uit hun omgeving op te nemen."

De techniek kan nuttig zijn voor celtransfectie, waarbij een doelgen in menselijke cellen wordt geïntroduceerd om gedrag te veroorzaken dat de cellen normaal niet zouden vertonen, zoals de expressie van een eiwit. Er zijn een aantal bestaande technieken om genetisch materiaal in levende cellen te introduceren, inclusief het gebruik van speciaal ontworpen virussen, maar bestaande technieken hebben belangrijke nadelen.

Een breed scala aan therapeutische en diagnostische toepassingen zou kunnen profiteren van de introductie van grote moleculen, die ook kunnen worden gebruikt als markers voor kwaliteitscontroledoeleinden bij de productie van cellen. "Er zijn veel redenen om moleculen aan het binnenste van cellen te willen leveren, maar er zijn niet veel goede manieren om het te doen, " zei Liu, die een National Science Foundation Graduate Research Fellow is.

De onderzoekers ontdekten de verschijnselen van compressie en volumeverandering terwijl ze technieken ontwikkelden om cellen te sorteren op basis van hun mechanische eigenschappen. In hun microfluïdische apparaten, compressie dwong zachtere cellen om in één richting te bewegen, terwijl stijvere cellen een ander pad namen. Hoewel het onderzoek zich richtte op het opsporen van kanker, het bracht ook een nieuw begrip voort van wat er met cellen gebeurt als ze snel worden gecomprimeerd.

"Onze techniek is helemaal niet afhankelijk van de eigenschappen van macromoleculen om het werk te doen, Liu legde uit. "De activiteit wordt allemaal veroorzaakt door de convectieve instroom van vloeistofvolume terug in de cellen. De moleculen in de vloeistof zijn gewoon mee voor de rit, waardoor we moleculen kunnen overbrengen zonder rekening te houden met hun grootte of eigenschappen."

De snelheid van compressie is van cruciaal belang. Als cellen gedurende langere tijd compressie ondergaan, ze kunnen geleidelijk vervormen en hun volume behouden. Het hele VECT-compressie- en relaxatieproces van de cel duurt milliseconden, waardoor de cellen plotseling vervormen zonder volume te besparen. Toch heeft het proces weinig tot geen effect op de levensvatbaarheid van de cellen. "We hebben verschillende tests gedaan om te zien of de levensvatbaarheid van cellen, functie en genexpressie zijn veranderd, en we hebben geen significante verschillen gezien, ' zei Liu.

De onderzoekers hebben een breed scala aan menselijke celtypen bestudeerd, van prostaatkanker tot leukemiecellen, en zelfs primaire T-cellen. Ze begonnen met het afleveren van een polysacharide, dextran, en gevolgd door eiwitten, RNA en plasmiden. Om de grenzen van de techniek te verkennen, ze gebruikten cel-VECT om deeltjes van 100 nanometer in cellen te verplaatsen.

Naast het overbrengen van therapeutische en diagnostische macromoleculen die nu moeilijk in cellen kunnen worden geïntroduceerd, de techniek zou het mogelijk kunnen maken om grotere macromoleculen aan cellen te leveren, het openen van nieuwe mogelijkheden voor celtechnologie en therapieën.

"Cell VECT betekent dat we niet langer worden beperkt door de omvang van de lading die een virus kan vervoeren, " zei Alexander Aleksejev, een universitair hoofddocent aan de Woodruff School of Mechanical Engineering en een medewerker van het onderzoek. "Dit kan voor onderzoekers een nieuwe manier openen om levende cellen te ontwikkelen met behulp van complexere moleculen. De grootte van de lading zou niet langer een kritieke kwestie zijn."

Door labeling moleculen in cellen te introduceren, de cel-VECT-techniek zou ook een betrouwbare en reproduceerbare kwaliteitscontroletechniek kunnen bieden voor productieprocessen die therapeutische cellen genereren, merkte Sulchek op.

Bij toekomstig werk, de onderzoekers zijn van plan om beter te begrijpen hoe de techniek werkt, bestudeer de parameters van het proces en observeer cellen gedurende lange perioden om er zeker van te zijn dat er geen nadelige effecten zijn.

"Er is nog steeds een fundamenteel wetenschappelijk begrip dat we moeten ontwikkelen, " zei Sulchek. "We willen karakteriseren wat de cellen verlaat, en onder welke voorwaarden ze vertrekken. We willen weten hoe snel dingen terugkeren, wat zijn de beperkingen van dat rendement, en waar ze heen gaan in de cel als ze terugkeren."