Ein Team der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis und des Massachusetts Institute of Technology hat eine akustische Mikrofluidikmethode entwickelt, die neue Möglichkeiten für die Durchführung von Experimenten mit schwimmenden Zellen und Mikroorganismen bietet.
„Die Zellen, die unsere Mitarbeiter untersuchen, sind für ihre Größe starke Schwimmer, und daher sind die Kräfte, die nötig sind, um sie einzufangen, beträchtlich“, sagte J. Mark Meacham, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der McKelvey School of Engineering und leitender Autor des Papiers, veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften. „In unseren Geräten sind Ultraschallwellen, wie sie für die Bildgebung verwendet werden, in der Lage, den Körper einer Zelle an Ort und Stelle zu halten, ohne die Art und Weise zu beeinträchtigen, wie sie schwimmt.“
Bei den für die Forschung verwendeten Zellen handelte es sich um die einzellige Alge Chlamydomonas reinhardtii, einen Modellorganismus zur Untersuchung der Bewegung von Flimmerhärchen, winzigen haarähnlichen Strukturen, die Flüssigkeiten bewegen und Zellen antreiben.
Der neue Ansatz wurde durch frühere Arbeiten in den Laboren von Philip Bayly, dem Lee Hunter Distinguished Professor und Leiter der Abteilung für Maschinenbau und Materialwissenschaften, der die Zilienbewegung erforscht, und Susan Dutcher, einer Professorin für Genetik an der Washington University School of, motiviert Medicine, ein Experte für Zilienstruktur und -funktion, beide Co-Autoren des Artikels. Meacham entwickelte die Methode und die Geräte zusammen mit dem Erstautor Mingyang Cui, der 2017 bzw. 2021 einen Master und einen Doktortitel in Maschinenbau bei McKelvey Engineering erwarb und jetzt Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology ist.
C. reinhardtii-Zellen sind mikroskopisch klein – und ihre Flimmerhärchen sind sogar noch kleiner –, aber sie schwimmen etwa 10 Körperlängen pro Sekunde. Auch ihre Flimmerhärchen schlagen etwa 60 bis 70 Mal pro Sekunde.
„Das Sichtfeld bei der Auflösung, die zum Erkennen der Zilienbewegung erforderlich ist, ist so, dass die Zellen sehr schnell aus dem Blickfeld heraus- und wegschwimmen“, sagte Meacham. „Es ist schwierig, ihr Schwimmverhalten zu untersuchen, ohne die Zellen auf irgendeine Weise einzufangen.“
Cui überwand das Problem des Einfangens, indem er eine Kombination aus zwei Arten von akustischen Wellen verwendete. Eine akustische Oberflächenwelle erzeugt Schwingungen, die sich entlang der Oberfläche eines Materials ausbreiten, und eine akustische Volumenwelle wird durch die Oberflächenschwingungen in der Flüssigkeit erzeugt, in der sich die Zellen befinden.
„Zellen werden durch akustische Wellen in der Flüssigkeit an sogenannten Knoten oder Niederdruckregionen gehalten“, sagte Meacham. „Wir wollten akustische Oberflächenwellen verwenden, weil sie höhere Frequenzen ermöglichen, die zu kleineren Fallen mit geringerem Abstand zwischen ihnen führen und eine bessere Kontrolle über die Zellen ermöglichen, die man manipulieren möchte.“
Leider sind herkömmliche Oberflächenwellengeräte nicht so effizient wie ihre Gegenstücke mit akustischen Volumenwellen, und Effizienz ist erforderlich, um genügend Einfangkraft auf diese Zellen zu erzeugen, um sie zu halten, ohne dass das Gerät überhitzt.
„Jede Ineffizienz führt zu einer Erwärmung, die die Zellen tötet“, sagte Meacham. „Mingyang hat eine Gerätestruktur entwickelt, bei der ein Glasmikrokanal verwendet wird, der akustische Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen umwandeln kann, um die Effizienz zu verbessern. Durch die Verwendung von Glas können wir auch hochauflösende Ölimmersionsmikroskopie verwenden.“
„Nachdem wir diese praktischen Herausforderungen gelöst hatten, konnten wir uns auf die anderen Vorteile des akustofluidischen Einfangens konzentrieren“, sagte Meacham. „Das Hauptbedürfnis unserer Mitarbeiter bestand darin, diese Zellen einzufangen, ohne ihre Rotation einzuschränken. Das akustische Einfangen ermöglicht dies, weil es die Zellen nicht direkt berührt.“
Um diese schwimmenden C. reinhardtii-Zellen zu untersuchen, verwendeten die Forscher zuvor eine Saugpipette, um die Zelle an Ort und Stelle zu halten, während die Zilien abgebildet wurden. Dies erlaubt jedoch nicht, dass sich der Zellkörper als Reaktion auf den Flimmerhärchenschlag auch nur ein wenig bewegt, was insbesondere die Rotation der Zelle, die natürliche Bewegung beim Schwimmen, einschränkt.
„Stellen Sie es sich wie ein Laufband für diese Mikroschwimmer vor, und das akustische Feld bietet eine Möglichkeit, die Zelle an Ort und Stelle zu halten, ohne die Zilienbewegung oder das Schwimmen im dreidimensionalen Raum zu beeinträchtigen“, sagte Meacham.
Darüber hinaus bietet das Gerät weitere Vorteile für experimentelle Arbeiten mit Mikroschwimmern.
„Wir können 25 bis 30 Fallen gleichzeitig erstellen und die gesamte Analyse der gefangenen Zellen parallel durchführen“, sagte Meacham. „Mit einer Mikropipette ist das nicht möglich – das ist physikalisch nicht möglich. Auf diese Weise können Sie Messungen schnell an einer größeren Anzahl von Zellen durchführen.“
Bayly sagte, er sei begeistert von den Auswirkungen dieser Arbeit auf das Verständnis der Zellmotilität.
„Mingyangs Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Methode das Schwimmen in keiner Weise beeinflusst, aber der große Einfluss könnte in der Flexibilität des Ansatzes liegen, schwimmende Zellen oder Mikroorganismen dieser Größenordnung einzufangen“, sagte Bayly. „Sie können jetzt eine Reihe neuer Experimente durchführen, um unbeantwortete biologische Fragen zu beantworten, indem Sie akustische Fallen verwenden, um eine kontrollierte Umgebung für die Durchführung dieses Experiments zu schaffen.“
Mehr Informationen:
Cui, Mingyang et al., Robustes akustisches Einfangen und Stören von Einzelzell-Mikroschwimmern beleuchten dreidimensionales Schwimmen und Ziliarkoordination, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2218951120