Nehmen wir an, Sie müssten eine einzelne Zelle von einem Ort an einen anderen verschieben. Wie würdest du es machen? Vielleicht eine spezielle Pinzette? Eine ganz kleine Schaufel?
Tatsache ist, dass die Manipulation einzelner Zellen eine schwierige Aufgabe ist. Es wurde einige Arbeit an sogenannten optischen Pinzetten geleistet, die Zellen mit Lichtstrahlen herumschieben können, aber obwohl sie gut darin sind, eine einzelne Zelle herumzubewegen, sind sie nicht dafür gedacht, eine größere Anzahl von Zellen zu manipulieren.
Neue am Caltech durchgeführte Forschungen haben eine Alternative geschaffen: luftgefüllte Proteine, die von gentechnisch veränderten Zellen produziert werden und zusammen mit den sie enthaltenden Zellen durch Ultraschallwellen herumgeschubst werden können. Ein Artikel, der die Arbeit beschreibt, erscheint in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.
Die Arbeit baut auf früheren Arbeiten auf, die im Labor von Mikhail Shapiro, Professor für Chemieingenieurwesen und Medizintechnik und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, durchgeführt wurden.
Shapiro arbeitet seit Jahren mit aus Bakterien gewonnenen Gasbläschen als akustische Markierung. Diese Vesikel, bei denen es sich um luftgefüllte Proteinkapseln handelt, verleihen einigen Arten von Wasserbakterien Auftrieb. Aber sie haben noch eine andere nützliche Eigenschaft: Aufgrund ihres luftgefüllten Inneren tauchen sie in Ultraschallbildern ziemlich stark auf. Shapiros Entdeckung dieser Qualität hat sein Labor dazu veranlasst, Gasbläschen als genetischen Marker zur Verfolgung der Position einzelner Bakterienzellen zu entwickeln Beobachtung der Genexpressionsaktivität in Säugetierzellen tief im Körper.
Jetzt haben Shapiro und seine Kollegen gezeigt, dass diese Vesikel Zellen unter dem Einfluss von Ultraschall an bestimmte Orte schieben und ziehen können. Das Phänomen ist dem sehr ähnlich, wie Ultraschall in Luft verwendet werden kann, um kleine, leichte Objekte aufzuhängen und/oder zu bewegen. Dies liegt daran, dass Schallwellen Druckzonen erzeugen, die auf Objekte in ihrer Umgebung einwirken. Die physikalischen Eigenschaften eines Objekts oder Materials bestimmen, ob es von einer Hochdruckzone angezogen oder von ihr abgestoßen wird. Normale Zellen werden von Bereichen mit höherem Druck weggedrückt, aber Zellen, die Gasbläschen enthalten, werden von ihnen angezogen.
„Wir haben diese Vesikel bereits früher für die Bildgebung verwendet, und dieses Mal haben wir gezeigt, dass wir sie tatsächlich als Aktuatoren verwenden können, sodass wir mithilfe von Ultraschall Kraft auf diese Objekte ausüben können“, sagt Di Wu (MS ’16, Ph.D. ’21), ein Forscher in Shapiros Labor und Hauptautor der Studie. „Dadurch können wir Zellen per Ultraschall im Raum bewegen, und zwar sehr selektiv.“
Shapiro und Wu sagen, es gibt ein paar Gründe, warum Sie vielleicht in der Lage sein sollten, Zellen zu bewegen. Zum einen erfordert das Tissue Engineering – die Herstellung künstlicher Gewebe für Forschungs- oder medizinische Zwecke – die Anordnung von Zellen bestimmter Typen in komplexen Mustern. Ein künstlicher Muskel benötigt beispielsweise mehrere Schichten von Muskelzellen, Zellen, die Sehnen bilden, und Nervenzellen.
Ein weiterer Fall, in dem Sie möglicherweise Zellen bewegen möchten, ist die zellbasierte Therapie, ein Bereich der Medizin, in dem Zellen mit wünschenswerten Eigenschaften in den Körper eingebracht werden.
„Sie führen gentechnisch veränderte Zellen in den Körper ein, und sie gehen überall hin, um ihr Ziel zu finden“, sagt Di. „Aber mit dieser Technologie haben wir möglicherweise eine Möglichkeit, sie an die gewünschte Stelle im Körper zu führen.“
Zur Demonstration zeigte das Team, dass Zellen, die Gasbläschen enthalten, gezwungen werden können, sich zu einer kleinen Kugel zu verklumpen, oder als dünne Bänder angeordnet oder an die Ränder eines Behälters gedrückt werden. Wenn sie das Ultraschallmuster änderten, „tanzten“ die Zellen, um neue Positionen einzunehmen. Sie entwickelten auch ein Ultraschallmuster, das die Zellen in die Form des Buchstabens „R“ in einem Gel drückte, das sie in dieser Form hielt, nachdem es sich verfestigt hatte. Sie nennen die resultierende Figur ein „akustisches Hologramm“.
Ein Ultraschallgerät ordnet Gasbläschen in Lösung in Form des Buchstabens R an. Bildnachweis: Lance Hayashida/Caltech
Laut Wu ist ein Bereich, in dem ihre Forschung das Potenzial für unmittelbare Auswirkungen hat, die Zellsortierung, ein Prozess, der für verschiedene Arten biologischer und medizinischer Forschung erforderlich ist.
„Eine übliche Art und Weise, wie Menschen Zellen jetzt sortieren, besteht darin, sie so zu manipulieren, dass sie ein fluoreszierendes Protein exprimieren, und dann einen fluoreszenzaktivierten Zellsortierer (FACS) zu verwenden“, sagt er. „Das ist ein 300.000-Dollar-Gerät, das sperrig ist, oft in einem Biosicherheitsschrank lebt und Zellen nicht sehr schnell sortiert.“
„Im Gegensatz dazu kann die akusto-fluidische Sortierung mit einem winzig kleinen Chip durchgeführt werden, der vielleicht 10 US-Dollar kostet. Der Grund für diesen Unterschied ist, dass man bei der fluoreszierenden Sortierung die Genexpression der Zellen separat messen und sie dann bewegen muss. Das ist erfolgt jeweils eine Zelle. Bei der Gasvesikelexpression ist die Genetik der Zelle direkt mit der Kraft verbunden, die auf die Zelle ausgeübt wird. Wenn sie Gasvesikel exprimieren, erfahren sie eine andere Kraft, sodass wir dies nicht separat prüfen müssen Wenn sie Gasbläschen exprimieren und sie dann bewegen, können wir sie alle auf einmal bewegen. Das vereinfacht die Dinge erheblich.“
Das Papier, das die Forschung beschreibt, mit dem Titel „Biomolekulare Aktuatoren für die genetisch selektive akustische Manipulation von Zellen“, erscheint am 22. Februar Wissenschaftliche Fortschritte.
Mehr Informationen:
Di Wu et al, Biomolekulare Aktuatoren zur genetisch selektiven akustischen Manipulation von Zellen, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add9186