Zellen, die harmonische Duette tanzen, könnten personalisierte Krebstherapien ermöglichen

Maschinenbauingenieure an der Duke University verwenden zwei elektronische „Stimmen“, die ein harmonisches Duett singen, um Schwebeteilchen und Zellen auf neue und wertvolle Weise zu kontrollieren. Ihr Prototyp-Gerät kann aus einer Gruppe von Partikeln einen einschichtigen Kristall formen und drehen, mit einer bestimmten Anzahl von Partikeln beliebige Formen erzeugen und Paare biologischer Zellen hunderte Male zusammen- und wieder auseinanderbewegen.

Diese Fähigkeiten könnten einer Vielzahl von Bereichen dienen, wie z. B. Materialwissenschaften, Physik weicher kondensierter Materie, Biophysik, Biowissenschaften und Medizin.

Die Forscher haben beispielsweise gezeigt, dass das Gerät zwei einzelne Zellen selektiv paaren und ihre Adhäsionskräfte messen kann – eine Leistung, die Ärzte nutzen könnten, um die Behandlung für einzelne Krebspatienten festzulegen. Aufgrund der Geschicklichkeit und Sanftheit des akustischen Geräts haben die Forscher es die HANDS-Plattform genannt. (Harmonische Akustik für berührungslose, dynamische, selektive Partikelmanipulation.)

Die Ergebnisse erscheinen online am 24. März im Journal Naturmaterialien.

„Die Trennung von gepaarten Partikeln oder Zellen ist seit vielen Jahren ein Hauptziel auf dem Gebiet der akustischen Manipulation“, sagte Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science bei Duke. „Unsere HANDS-Plattform ist die erste Methode zur Trennung von gepaarten Objekten, die einen Weg zu Zell-Zell-Interaktionsstudien bietet, die in biophysikalischen Studien und der Arzneimittelforschung umfassend benötigt werden.“

Akustische Pinzetten sind ein sich schnell entwickelndes Gebiet, das verschiedene physikalische Phänomene von Schallwellen nutzt, um Partikel oder Zellen, die in Flüssigkeiten suspendiert sind, sanft zu manipulieren, ohne sie zu berühren. Einige Beispiele klemmen Partikel zwischen zwei Schallwellen und passen die Phase oder den Ursprungspunkt der Wellen an, um sie zu bewegen. Andere erzeugen Muster, indem sie zwei statische stehende Schallwellen miteinander kombinieren, um Partikel in verschiedene Formationen zu trennen, z. B. ein Gitter.

Jetzt haben Forscher diesen Geräten eine neue Ebene der Komplexität hinzugefügt, indem sie piezoelektrische Melodien und Harmonien in das Setup eingeführt haben. Während frühere Geräte statische stehende Wellen erzeugen, verwendet der Prototyp der HANDS-Plattform einen Funktionsgenerator, um komplexe stehende Wellen zu erzeugen, die sich schnell ändern. Man könnte es sich so vorstellen, als würden die Maschinen nicht nur einen einzigen Ton singen, sondern jetzt die rasanten Höhen und Tiefen einer komplizierten Oper mit zwei Sängern erklingen lassen.

Das neue Gerät funktioniert, indem es schallerzeugende Wandler auf jeder Seite einer kleinen quadratischen Kammer platziert, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. Diese vier Wandler arbeiten im Gleichschritt mit denen direkt gegenüber und bilden zwei Paare. Einer erzeugt Muster in der Kammer horizontal und der andere vertikal. Das Zusammenspiel dieser beiden komplexen, sich schnell ändernden Schallwellenmuster schafft dynamische Fähigkeiten, die auf diesem Gebiet noch nie zuvor demonstriert wurden.

„Ich habe simuliert, wie sich diese Wellen kombinieren könnten, um die Partikel in der Kammer zu manipulieren, und dann Experimente durchgeführt, um tatsächliche Ergebnisse zu sehen“, sagte Shujie Yang, ein Postdoktorand im Huang-Labor. „Es dauerte lange und viele Versuche, aber schließlich waren die Simulationen gut genug, um mit den Ergebnissen übereinzustimmen. Und sobald die Simulationen genau waren, konnte ich anfangen, neue Fähigkeiten vorherzusagen.“

In dem Artikel demonstriert Yang mehrere neuartige Fähigkeiten der akustischen Pinzette für harmonisches Duett. In einem Experiment zeigt er, dass die HANDS-Plattform einen 3D-Cluster aus 24 Partikeln glätten und zu einer kristallinen Struktur strukturieren kann. Es kann diese flachen Formationen wie einen Teller auf einer Fingerspitze drehen.

In Bezug auf die individuelle Partikelmanipulation zeigt das Papier Partikel, die in drei verschiedene Formationen gebracht wurden, die eine auffallende Ähnlichkeit mit den Buchstaben O, D und K aufweisen. Das Gerät paart dann Dutzende einzelner Partikel wie Teenager bei einem Schultanz und zeigt, dass es jedes ziehen kann mehr als tausend Mal auseinander- und wieder zusammenfügen.

In der abschließenden Demonstration zeigt Yang, dass das Gerät ein einzelnes Zellenpaar aus einer Anordnung auswählen, zusammenschieben und wieder auseinander ziehen kann. Diese Fähigkeit nutzt er dann, um die Adhäsionskräfte zu messen, die zwischen zwei sich berührenden Zellen wirken.

Laut den Forschern ist dies die aufregendste Fähigkeit der HANDS-Plattform, da sie detaillierte Tests für die personalisierte Medizin ermöglichen könnte.

„Ich bin begeistert von den Fähigkeiten dieser Plattform, die so sanft wie die Hände einer Mutter ist“, sagte Luke Lee, Professor für Medizin an der Harvard Medical School, der Co-Leiter der Forschung ist. „Sanfte und sensible Mutterhände ermöglichen es uns, die Grundlagen der quantitativen Zellbiologie und der translationalen Präzisionsmedizin zu schaffen.“

„Zum Beispiel können wir T-Zell-Wechselwirkungen mit Krebszellen systematisch im Hochdurchsatz untersuchen und präzise Zell-Zell-Wechselwirkungskräfte erhalten“, sagte Lee. „Dies könnte Ärzten helfen, die effektivste und spezifischste Zelltherapie für Patienten als personalisierte Präzisionsmedizin zu finden.“