Het met exactheid en exclusiviteit leveren van experimentele materialen aan individuele cellen is lange tijd een ongrijpbaar en veelgevraagd vermogen in de biologie geweest. Daarmee komt de belofte om vele eeuwenoude geheimen van de cel te ontcijferen.

Een onderzoeksteam van het Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin, Erlangen, onder leiding van professor Vahid Sandoghdar, heeft nu met succes aangetoond hoe kleine moleculen en afzonderlijke nanodeeltjes rechtstreeks op het oppervlak van cellen kunnen worden aangebracht.

In het onderzoek, gepubliceerd in Nature Methods beschrijven de wetenschappers hun techniek als een ‘μkiss’ (microkiss) – een gemakkelijke en kosteneffectieve nieuwe methode, die nieuwe mogelijkheden in de eencellige wetenschap ontsluit met het oog op de volgende generatie therapeutische toepassingen.

Traditionele benaderingen in de biologie houden vaak rekening met kenmerken van hele celpopulaties, waarbij de genuanceerde variaties in eigenschappen van de ene cel tot de andere ontbreken. Om de biologie nauwkeuriger op individueel celniveau te onderzoeken, is de ontwikkeling van nieuwe hulpmiddelen en methoden absoluut noodzakelijk.

“Er blijft een cruciale kloof bestaan ​​in ons vermogen om chemicaliën, labels en farmaceutische producten met precisie en controle aan individuele cellen toe te dienen, over korte duur en op minuscule microscopische lengteschalen”, zegt professor Vahid Sandoghdar, directeur van het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht. en Max-Planck-Zentrum voor Physik und Medizin. Prof. Sandoghdar en zijn team hebben deze uitdaging actief aangepakt.

'Net als een penseel', eenvoudig en kosteneffectief in gebruik

De onderzoekers bedachten een eenvoudige maar elegante oplossing voor dit probleem:door gebruik te maken van twee dicht bij elkaar geplaatste micropipetten met een opening van slechts één micrometer, konden de wetenschappers een stabiel druppeltje materiaal van microformaat creëren aan de uiteinden van de micropipet door één micropipet te gebruiken om de vloeistof af te geven. materiaal, terwijl de ander het met een iets hogere snelheid naar binnen zuigt.

"Het is dan net een penseel", zegt Richard W. Taylor, postdoctoraal onderzoeker en lid van het team, en voegt eraan toe:"Je kunt de micropipetten gemakkelijk rond manoeuvreren en dit opgesloten druppeltje voorzichtig tegen de door jou gekozen cel borstelen, waardoor een klein kusje materiaal."

Dankzij deze eenvoudige implementatie, waarbij gebruik wordt gemaakt van direct verkrijgbare componenten, kan de techniek eenvoudig en tegen lage kosten worden geïmplementeerd op elke microscoop in biologisch georiënteerde laboratoria.

"De kostenefficiënte en pragmatische aanpak van onze oplossing is belangrijk voor het gebruik ervan in de praktijk", zegt prof. Sandoghdar, en voegt eraan toe:"Het gebrek aan vergelijkbare oplossingen heeft tot nu toe de vooruitgang naar nieuwe therapeutische benaderingen op eencellig niveau vertraagd."

Volledige controle over locatie, tijd en schaal

De nieuwe methode geeft de onderzoeker de volledige controle. "Met μkiss bereiken we een geheel nieuwe dimensie in de precieze toepassing van stoffen op cellen", legt Cornelia Holler uit, een doctoraalstudente in de biologie en lid van de onderzoeksgroep. Materialen kunnen nu nauwkeurig worden afgeleverd bij elke gekozen cel op subcellulair niveau, met volledige controle over de tijd en positie waarin het materiaal in contact is met de cel.

"We kunnen nu hele biologische processen bekijken, zoals de opname van ijzer door de cel, zonder een stap te missen. Dit stelt ons in staat eindelijk de puzzel van de complexe kenmerken van elke individuele cel samen te stellen", zegt Holler.

Onlangs heeft het team de precieze plaatsing van een enkel virusachtig deeltje op een levende cel gerealiseerd. Dit experimentele vermogen biedt de mogelijkheid om de complexiteit van de verspreiding van ziekten onder de loep te nemen, waardoor volledige controle ontstaat over de locatie, het tijdstip en de omvang van de celinfectie.

"Het vermogen om te kussen opent nieuwe wegen voor kwantitatieve studies in de celbiologie en geneeskunde", zegt professor Sandoghdar.

Meer informatie: Cornelia Holler et al, Een penseel voor het afleveren van nanodeeltjes en moleculen aan levende cellen met nauwkeurige spatiotemporele controle, Natuurmethoden (2024). DOI:10.1038/s41592-024-02177-x

Aangeboden door Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht