Een nieuw apparaat ontwikkeld door UCLA-ingenieurs en artsen kan wetenschappers uiteindelijk helpen bij het bestuderen van de ontwikkeling van ziekten, stellen hen in staat om verbeterde beelden van de binnenkant van cellen vast te leggen en leiden tot andere verbeteringen in medisch en biologisch onderzoek.

De onderzoekers creëerden een zeer efficiënte geautomatiseerde tool die nanodeeltjes levert, enzymen, antilichamen, bacteriën en andere "grote" lading in zoogdiercellen met een snelheid van 100, 000 cellen per minuut—aanzienlijk sneller dan de huidige technologie, die werkt met ongeveer één cel per minuut.

Het onderzoek, online gepubliceerd in Natuurmethoden op 6 april werd geleid door Eric Pei-Yu Chiou, universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek en bio-engineering aan de Henry Samueli School of Engineering and Applied Science. Medewerkers waren onder meer studenten, medewerkers en docenten van de technische school en de David Geffen School of Medicine aan de UCLA.

Momenteel, de enige manier om zogenaamde grote vracht af te leveren, deeltjes tot 1 micrometer groot, in cellen is met behulp van micropipetten, spuitachtige instrumenten die veel voorkomen in laboratoria, wat veel langzamer is dan de nieuwe methode. Andere benaderingen voor het injecteren van materialen in cellen, zoals het gebruik van virussen als transportmiddelen of chemische methoden, zijn alleen nuttig voor kleine moleculen, die typisch enkele nanometers lang zijn. (Een nanometer is een duizendste van een micrometer.)

Het nieuwe apparaat, een biofotonisch laser-geassisteerd chirurgie-instrument genoemd, of BLAST, is een siliciumchip met een reeks micrometerbrede gaten, elk omgeven door een asymmetrische, halfronde coating van titanium. Onder de gaten bevindt zich een vloeistofput met daarin de af te leveren deeltjes.

Onderzoekers gebruiken een laserpuls om de titaniumcoating te verwarmen, waardoor de waterlaag naast delen van de cel onmiddellijk kookt. Dat creëert een bel die explodeert nabij het celmembraan, wat resulteert in een grote spleet - een reactie die slechts ongeveer een miljoenste van een seconde duurt. Door de spleet kan de met deeltjes gevulde vloeistof onder de cellen erin worden vastgeklemd voordat het membraan opnieuw sluit. Een laser kan de hele siliciumchip in ongeveer 10 seconden scannen.

Chiou zei dat de sleutel tot het succes van de techniek de onmiddellijke en precieze incisie van het celmembraan is.

"Hoe sneller je snijdt, hoe minder verstoringen je hebt op het celmembraan, " zei Chiou, die ook lid is van het California NanoSystems Institute.

Het plaatsen van grote lading in cellen kan leiden tot wetenschappelijk onderzoek dat voorheen niet mogelijk was. Bijvoorbeeld, het vermogen om mitochondriën af te leveren, zou het metabolisme van cellen kunnen veranderen en onderzoekers kunnen helpen ziekten te bestuderen die worden veroorzaakt door gemuteerd mitochondriaal DNA.

Het kan wetenschappers ook helpen de functie te ontleden van genen die betrokken zijn bij de levenscyclus van pathogenen die de cel binnendringen en de afweermechanismen van de cel tegen hen te begrijpen.

"Het maakt nu niet meer uit welke maat of soort materiaal je wilt aanleveren. Je kunt het gewoon allemaal de cel in duwen, ' zei Chiou.

"De nieuwe informatie die uit dit soort onderzoeken wordt geleerd, kan helpen bij het identificeren van pathogene doelen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen, of fundamenteel inzicht verschaffen in hoe de interactie tussen pathogeen en gastheer een productieve infectie of effectieve cellulaire respons mogelijk maakt, " zei Dr. Michael Teitell, hoofd van de afdeling pediatrische en ontwikkelingspathologie, en een co-auteur van het papier.

Omdat het apparaat lading kan leveren aan 100, 000 cellen tegelijk, een enkele chip kan voldoende gegevens opleveren voor een statistische analyse van hoe de cellen reageren in een experiment.