Nanotechnologie ermöglicht Einzelzellsortierung nach Funktion

Seit fast 40 Jahren nutzen Arzneimittelhersteller gentechnisch veränderte Zellen als winzige Arzneimittelfabriken. Solche Zellen können so programmiert werden, dass sie Verbindungen absondern, die Medikamente liefern, die zur Behandlung von Krebs und Autoimmunerkrankungen wie Arthritis eingesetzt werden.

Bemühungen zur Entwicklung und Herstellung neuer biologischer Behandlungen können von einer neuen Technologie zum schnellen Sortieren einzelner, lebender Zellen in einem Standardlaboraufbau profitieren. Mit mikroskopisch kleinen, schüsselförmigen Hydrogelbehältern namens „Nanovials“ demonstrierte ein UCLA-geführtes Forschungsteam kürzlich die Fähigkeit, Zellen basierend darauf auszuwählen, um welchen Typ es sich handelt und welche Verbindungen – und wie viel dieser Verbindungen – sie absondern. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-Nano.

Die Technologie könnte auch die biologische Grundlagenforschung voranbringen.

„Mit dieser Technologie kann die wissenschaftliche Gemeinschaft neue Einblicke in wichtige biologische Prozesse gewinnen, die einen großen Teil unserer proteinkodierenden Gene ausmachen“, sagte Dino Di Carlo, der korrespondierende Autor der Studie und Armond und Elena Hairapetian Professor für Ingenieurwissenschaften und Medizin an die UCLA Samueli School of Engineering. „Ich betrachte die einzelne Zelle als die Quantengrenze der Biologie. Das Nanovial ist die Evolution der Petrischale zu dieser fundamentalen Grenze einer Zelle.“

Di Carlo, der auch Mitglied des California NanoSystems Institute an der UCLA und des UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center ist, sagte, die Verwendung von Nanovials helfe Wissenschaftlern, die Einschränkungen anderer Instrumente zur Messung von Zellsekreten zu überwinden.

Die gebräuchlichere Technik verwendet ein Gitter aus winzigen Kunststoffbehältern, die als Mikrotiterplatte bezeichnet werden, aber diesem Ansatz fehlt die Fähigkeit des Nanovials, einzelne Zellen zu sortieren, und die aktuelle Technologie benötigt normalerweise Wochen, bis genügend Zellen wachsen, damit Sekrete nachgewiesen werden können. Die andere Alternative ist ein Multimillionen-Dollar-Instrument, das nur in wenigen Dutzend Labors weltweit zu finden ist, das die Sekrete von etwa 10.000 Zellen pro Experiment misst und lebende Zellen sortieren kann.

Im Vergleich zu diesem Instrument können Nanovials verwendet werden, um viel größere Screenings durchzuführen – in Millionen von Zellen – zu einem kleinen Bruchteil der relativen Kosten – weniger als einen Cent pro Zelle, gegenüber 1 $ oder mehr pro Zelle unter Verwendung des aktuellen Standards.

Nanovials sind so winzig, dass 20 Millionen davon benötigt würden, um einen Teelöffel zu füllen. Sie sind so angepasst, dass sie bestimmte Zelltypen erfassen, und können mit Molekülen angereichert werden, die sich an die Sekrete einer Zelle anlagern und unter farbigem Licht leuchten. Da Nanovials aus einem Hydrogel bestehen – einem Polymer, das fast das 20-fache seiner Masse an Wasser hält – bieten sie eine feuchte Umgebung, die der natürlichen Heimat von Zellen relativ ähnlich ist.

In der Studie untersuchten die Forscher Zellen, die manipuliert worden waren, um ein bestimmtes Antikörper-Medikament abzusondern. Unter Verwendung von Nanovials und einem gängigen Analysegerät namens Durchflusszytometer wählten sie Zellen aus, die den größten Teil dieses Antikörpers absonderten, und ließen diese Zellen dann zu Kolonien wachsen, die über 25 % mehr des Arzneimittels produzierten als Kolonien, die nicht speziell ausgewählt worden waren.

Die Fähigkeit, Antikörper-Medikamente mit dieser erhöhten Effizienz herzustellen, könnte die Kosten der Arzneimittelproduktion um einen ähnlichen Prozentsatz senken, sagte Di Carlo.

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass sie seltene Antikörper-sekretierende Zellen ausfindig machen konnten, die spezifisch an ein Zielmolekül binden, und die DNA-Sequenzinformationen des sekretierten Antikörpers identifizieren konnten. Dieses Experiment, ein wichtiger Teil der Entdeckung neuer Antikörper-Medikamente, dauerte einen Tag; traditionelle Methoden würden Wochen dauern.

Die Forscher verwenden derzeit Nanovials, um Immunzellen, sogenannte T-Zellen, zu untersuchen, die in Zelltherapien verwendet werden, sowie um wenig verstandene biologische Phänomene zu erforschen. Die Nanovial-Technologie ist auch die Grundlage für ein Start-up-Unternehmen, Partillion Bioscience, das auf dem UCLA-Campus im Magnify-Inkubator des CNSI angesiedelt ist.

„Wir sind gespannt, welche Auswirkungen Nanovials auf die biologische Forschung haben werden, jetzt, da sie für jedermann verfügbar sind“, sagte Joseph de Rutte, der Co-Erstautor der Veröffentlichung, der 2020 an der UCLA promoviert hat und Co- Gründer und Präsident von Partillion.

Robert Dimatteo, der 2021 an der UCLA promovierte, ist der andere Co-Erstautor der Arbeit. Weitere Co-Autoren der UCLA sind Maani Archang, Sohyung Lee und Kyung Ha, die kürzlich promoviert haben; aktuelle Doktoranden Mark van Zee, Doyeon Koo, Michael Mellody und Shreya Udani; Assistenzprojektwissenschaftlerin Allison Sharrow; James Eichenbaum, der kürzlich einen Bachelor-Abschluss erworben hat; und die Professoren Andrea Bertozzi und Robert Damoiseaux. Andere Autoren stammen von der Johns Hopkins University und der University of Houston.