Onderzoekers van de Washington University in St. Louis bestuderen al jaren cilia om te bepalen hoe hun disfunctie leidt tot onvruchtbaarheid en andere aandoeningen die verband houden met cilia-gerelateerde ziekten. Nutsvoorzieningen, ze zullen deze studies sneller kunnen uitvoeren door een nieuwe methode die geluidsgolven gebruikt om cellen die worden voortgestuwd door trilhaartjes tijdelijk op te vangen, laat ze vervolgens los om hun beweging te meten terwijl ze wegzwemmen.

Een interdisciplinair team onder leiding van J. Mark Meacham, universitair docent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de McKelvey School of Engineering, en studenten in zijn laboratorium gebruikten een akoestische microfluïdische benadering die ultrasone staande golven gebruikt in een kleine met vloeistof gevulde kamer om groepen van de eencellige groene algencellen Chlamydomonas reinhardtii te verzamelen, een modelorganisme voor het bestuderen van menselijke trilhaartjes. De zogenaamde akoestische val maakt gebruik van de materiaaleigenschappen van de cellichamen om ze op hun plaats te houden zonder ze te beschadigen. Door eerst de cellen te verzamelen, het team kan binnen enkele minuten honderden cellen efficiënt analyseren. De resultaten werden gepubliceerd in en vermeld op de binnenkant van de achteromslag van het tijdschrift Zachte materie op 12 juni 2019, gedrukte editie.

"Zie het als een kleine kooi gemaakt door het ultrasone veld, "Zei Meacham. "De cellen proberen een manier te vinden om te ontsnappen, maar worden teruggeduwd door de golven die de kooimuren vormen. Als de muren zijn verwijderd, ze zijn vrij om te rennen."

Cilia zijn kleine haarachtige structuren in cellen die onze longen bekleden, neus, hersenen en reproductieve systemen. Ze zijn ontworpen om vloeistoffen en microben weg te vegen om mensen gezond te houden. Wanneer ze defect raken, onvruchtbaarheid, chronische middenoorontstekingen, water op de hersenen en andere aandoeningen kunnen ontstaan.

Susan Hollander, hoogleraar genetica en celbiologie en fysiologie aan de School of Medicine en een co-auteur van het papier, werkt met C. reinhardtii en honderden van zijn genetische varianten, of mutanten, om ciliair gedrag en disfunctie te bestuderen. Door zoveel varianten te analyseren met de huidige methoden, die handmatig individuele cellen traceren, zou heel lang duren, zei Meacham.

"Het is nuttig voor Dr. Dutcher om haar cellen snel te classificeren op basis van zwemeffectiviteit en om die te kiezen die het meest interessant zijn voor de meer arbeidsintensieve en vervelende, gedetailleerde analyse, "Zei Meacham. "Dat is waar dit soort populatiegebaseerde methode echt bij helpt, waardoor we in korte tijd een groot aantal bepaalde mutanten kunnen analyseren."

Voor dit werk, het team gebruikte drie genetische varianten van C. reinhardtii-cellen uit het laboratorium van Dutcher als modellen.

Meacham en een promovendus, Minji Kim, eerste auteur op het papier, ontwikkelde de microfluïdische chip, die klein genoeg is dat er twee op een glasplaatje van 1 bij 3 inch passen. Cellen kwamen en gingen binnen via inlaat- en uitlaatkanalen die verbonden waren met een cirkelvormige kamer in het midden van het apparaat - dat lijkt op een grote, open houder voor de cellen - voordat de echografie wordt ingeschakeld. Kim en Meacham brachten vloeistof met de cellen in het apparaat, activeerde vervolgens de echografie via een piëzo-elektrische transducer. De ultrasone golven weerkaatsen van de kamerwanden om drukputten te creëren in de cirkelvormige kamer, die de cellen in een groep opsluiten in het midden van de kamer.

Na het in beeld brengen van de cellen, de onderzoekers zetten de echo uit, waardoor de kooideur effectief wordt geopend en de cellen kunnen wegzwemmen.

"Deze akoestische val stelt ons in staat om dit interessante type analyse te doen dat we op geen enkele andere manier zouden kunnen doen, "Zei Meacham. "We kunnen een celpopulatie vangen en vrijlaten, analyseer het, laad de volgende populatie op, val, uitgave, analyseren, en laad de volgende in een kwestie van tientallen seconden tot een minuut per monster om een ​​gegradeerde meting van het zwemvermogen voor de verschillende celtypen te krijgen."

Analyse van spreidende cellen is eenvoudig te automatiseren omdat het zwemmen vanaf één locatie begint, zei Meacham. Cellen verschijnen als zwarte pixels in opeenvolgende afbeeldingen van de vrijgekomen cellen. De vormverandering van de cellen is dan gerelateerd aan de zwemsnelheid.

"We zien ze één tot drie seconden zwemmen, als we die beelden eenmaal hebben, het proces om ze te analyseren is geautomatiseerd, " zei Kim. "We kunnen de motiliteitsmeting van ongeveer 50 cellen op een geautomatiseerde manier aanzienlijk sneller krijgen dan door individuele cellen te moeten volgen."

uiteindelijk, het team wil onderzoekers een hulpmiddel bieden dat cellen categoriseert op basis van hun bewegingsvermogen, hetzij voor het catalogiseren van C. reinhardtii-mutanten of voor het beoordelen van de beweeglijkheid van zaadcellen, zei Meacham.