Ultraschalluntersuchungen, die vor allem für die Überwachung von Schwangerschaften oder die Bildgebung von Organen bekannt sind, können auch zur Stimulierung von Zellen und zur Steuerung der Zellfunktion eingesetzt werden. Ein Team von Forschern der Penn State hat einen einfacheren und effektiveren Weg entwickelt, um die Technologie für biomedizinische Anwendungen nutzbar zu machen.
Das Team entwickelte einen transparenten, biokompatiblen Ultraschall-Transducer-Chip, der einem Objektträger aus Mikroskopglas ähnelt und zur einfachen Betrachtung in jedes optische Mikroskop eingesetzt werden kann. Zellen können direkt auf dem Transducer-Chip kultiviert und stimuliert werden, und die daraus resultierenden Veränderungen der Zellen können mit optischen Mikroskopietechniken abgebildet werden.
Veröffentlicht in der Zeitschrift der Royal Society of Chemistry Labor auf einem Chipwurde das Papier als Titelartikel für die Dezemberausgabe 2021 ausgewählt. Zukünftige Anwendungen der Technologie könnten sich auf die Stammzellen-, Krebs- und Neurowissenschaftsforschung auswirken.
„Bei den herkömmlichen Ultraschallstimulationsexperimenten wird eine Zellkulturschale in ein Wasserbad gestellt, und ein sperriger Ultraschallwandler leitet die Ultraschallwellen durch das Wassermedium zu den Zellen“, sagte Sri-Rajasekhar „Raj“ Kothapalli, leitender Forscher und Assistent Professor für biomedizinische Technik an der Penn State. „Dies war ein komplexer Aufbau, der keine reproduzierbaren Ergebnisse lieferte: Die Ergebnisse, die eine Gruppe sah, andere nicht, selbst bei Verwendung der gleichen Parameter, da es mehrere Dinge gibt, die das Überleben und die Stimulation der Zellen beeinflussen könnten, während sie sich darin befinden Wasser, sowie wie wir sie visualisieren.“
Kothapalli und seine Mitarbeiter miniaturisierten den Ultraschallstimulationsaufbau, indem sie eine transparente Wandlerplattform aus einem piezoelektrischen Lithiumniobat-Material schufen. Piezoelektrische Materialien erzeugen beim Anlegen einer elektrischen Spannung mechanische Energie. Die biokompatible Oberfläche des Chips ermöglicht es, die Zellen direkt auf dem Schallkopf zu kultivieren und über mehrere Wochen für wiederholte Stimulationsexperimente zu verwenden.
Bei Anschluss an eine Stromversorgung sendet der Transducer Ultraschallwellen aus, die die Zellen pulsieren und den Ein- und Ausfluss von Ionen auslösen.
Um den Aufbau zu testen, kultivierten Kothapalli und sein Team Blasenkrebszellen auf dem Chip. Anschließend fügten sie fluoreszierende Kalziumindikatoren in die Zellen ein, damit die Forscher während der Stimulation dynamische Veränderungen der Kalziumsignalisierung der Zelle unter dem Mikroskop deutlich sehen konnten.
„Da die Zellen direkt auf der transparenten Schallkopfoberfläche sitzen, können wir bestätigen, dass alle Zellen im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen gleichzeitig mit einem einzigen Ultraschallstimulus gleichermaßen stimuliert werden“, sagt Kothapalli, ein Mitarbeiter des Penn State Cancer Institute , genannt. „Und im Gegensatz zu früheren Verfahren können wir hochauflösende Bilder vieler Zellen gleichzeitig in einem einzigen Sichtfeld erhalten, da wir die Zellen aus nächster Nähe sehen können.“
Durch die Studie zu Blasenkrebszellen stellten die Forscher den Machbarkeitsnachweis für den neuen Wandleraufbau her. Aber sie können diese Erkenntnisse erweitern, um den Wandleraufbau in potenziellen zukünftigen Anwendungen einzusetzen, so Kothapalli, wie z. B. Stammzelldifferenzierung, mechanosensitive Neuromodulation, Arzneimittelabgabe und das Öffnen der Blut-Hirn-Schranke.
„Dieser einfache Aufbau wird für Forscher, die daran interessiert sind, Zellen und Gewebe mit Ultraschall zu modulieren, von unschätzbarem Wert sein“, sagte Pak Kin Wong, Professor für Biomedizintechnik, Maschinenbau und Chirurgie an der Penn State und Co-Autor des Papiers. „Es kann verwendet werden, um neuartige therapeutische Ultraschallanwendungen zu erforschen, wie z. B. die fokussierte Ultraschall-Immuntherapie.“
Der Ultraschall-Stimulationschip ist kostengünstig, einfach herzustellen, kompakt und in der Größe skalierbar sowie wegwerfbar und wiederverwendbar, so Haoyang Chen, Erstautor der Arbeit und Doktorand bei Kothapalli in Biomedizintechnik.
„Es ist einfach, Zellen auf dem Chip mit Standard-Zellkulturmethoden zu züchten“, sagte Chen. „Der Aufbau bietet steuerbare Stimulationsparameter für eine Vielzahl von Experimenten und kann mit allen herkömmlichen optischen Mikroskopietechniken abgebildet werden.“
Neben Kothapalli, Wong und Chen trugen auch Peter Butler, Penn State Professor für Biomedizintechnik und stellvertretender Dekan für Bildung und professionelle Graduiertenprogramme, zu der Studie bei; die Doktoranden Ninghao Zhu, Mohamed Osman und Shubham Khandare für Biomedizintechnik; und die Studenten der Biomedizintechnik Ryan Biskowitz und Jinyun Liu.
Haoyang Chen et al., Ein transparenter gepulster Ultraschallchip (LIPUS) mit niedriger Intensität für die Zellstimulation mit hohem Durchsatz, Labor auf einem Chip (2021). DOI: 10.1039/D1LC00667C