Des cellules dansant des duos harmoniques pourraient permettre des thérapies personnalisées contre le cancer

Les ingénieurs en mécanique de l’Université Duke utilisent deux « voix » électroniques chantant un duo harmonique pour contrôler les particules et les cellules en suspension de manière nouvelle et précieuse. Leur dispositif prototype peut former et faire tourner un cristal monocouche à partir d’un groupe de particules, créer des formes arbitraires avec un nombre donné de particules et déplacer des paires de cellules biologiques ensemble et à nouveau des centaines de fois.

Ces capacités pourraient servir une grande variété de domaines, tels que la science des matériaux, la physique de la matière condensée molle, la biophysique, les sciences de la vie et la médecine.

Par exemple, les chercheurs ont montré que l’appareil peut apparier sélectivement deux cellules individuelles et mesurer leurs forces d’adhésion, un exploit que les médecins pourraient utiliser pour déterminer le traitement de patients atteints de cancer. En raison de la dextérité et de la douceur du dispositif acoustique, les chercheurs l’ont nommé la plateforme HANDS. (Acoustique harmonique pour la manipulation de particules sans contact, dynamique et sélective.)

Les résultats paraissent en ligne le 24 mars dans la revue Matériaux naturels.

« La séparation de particules ou de cellules appariées est un objectif majeur dans le domaine de la manipulation acoustique depuis de nombreuses années », a déclaré Tony Jun Huang, professeur émérite William Bevan de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. « Notre plate-forme HANDS est la première méthode de séparation d’objets appariés, qui ouvre la voie aux études d’interaction cellule-cellule qui sont largement nécessaires dans les études de biophysique et la découverte de médicaments. »

Les pinces acoustiques sont un domaine en développement rapide qui utilise divers phénomènes physiques d’ondes sonores pour manipuler en douceur des particules ou des cellules en suspension dans des liquides sans les toucher. Certains exemples pincent des particules entre deux ondes sonores et ajustent la phase ou le point d’origine des ondes pour les déplacer. D’autres créent des motifs en combinant deux ondes sonores stationnaires statiques pour séparer les particules en différentes formations, comme une grille.

Maintenant, les chercheurs ont ajouté une nouvelle couche de complexité à ces dispositifs en introduisant des mélodies et des harmonies piézoélectriques dans la configuration. Là où les appareils précédents créaient des ondes stationnaires statiques, le prototype de la plate-forme HANDS utilise un générateur de fonctions pour créer des ondes stationnaires complexes qui changent rapidement. On pourrait y penser comme si plutôt que les machines chantaient une seule note, elles frappaient maintenant les hauts et les bas rapides d’un opéra compliqué avec deux chanteurs.

Le nouvel appareil fonctionne en plaçant des transducteurs de création sonore de chaque côté d’une petite chambre carrée remplie de liquide. Ces quatre transducteurs fonctionnent au pas avec ceux qui leur font directement face, formant deux paires. L’un crée des motifs dans la chambre horizontalement et l’autre verticalement. L’interaction de ces deux modèles d’ondes sonores complexes et changeant rapidement crée des capacités dynamiques jamais démontrées auparavant dans le domaine.

« J’ai simulé comment ces ondes pourraient se combiner pour manipuler les particules dans la chambre, puis j’ai mené des expériences pour voir les résultats réels », a déclaré Shujie Yang, associée postdoctorale au laboratoire Huang. « Cela a pris beaucoup de temps et de nombreux essais, mais finalement les simulations sont devenues assez bonnes pour commencer à faire correspondre les résultats. Et une fois que les simulations étaient précises, j’ai pu commencer à prédire de nouvelles capacités. »

Dans l’article, Yang démontre plusieurs nouvelles capacités des pincettes acoustiques duo harmonique. Dans une expérience, il montre que la plate-forme HANDS peut aplatir et modeler un cluster 3D de 24 particules en une structure cristalline. Il peut faire tourner ces formations plates comme une assiette sur le bout des doigts.

Passant à la manipulation de particules individuelles, l’article montre des particules cajolées dans trois formations différentes présentant une ressemblance frappante avec les lettres O, D et K. L’appareil associe ensuite des dizaines de particules simples comme des adolescents lors d’une danse scolaire et montre qu’il peut tirer chacun s’apparier et les remonter plus d’un millier de fois.

Dans la démonstration finale, Yang montre que l’appareil peut sélectionner une seule paire de cellules dans un alignement, les rapprocher et les séparer. Il utilise ensuite cette capacité pour mesurer les forces d’adhésion à l’œuvre entre deux cellules qui se touchent.

Selon les chercheurs, il s’agit de la capacité la plus excitante de la plateforme HANDS, car elle pourrait permettre des tests détaillés pour la médecine personnalisée.

« Je suis ravi des capacités de cette plateforme, qui est aussi douce que les mains d’une mère », a déclaré Luke Lee, professeur de médecine à la Harvard Medical School, co-responsable de la recherche. « Les mains douces et sensibles d’une mère nous permettent d’établir les bases de la biologie cellulaire quantitative et de la médecine translationnelle de précision. »

« Par exemple, nous pouvons étudier systématiquement les interactions des cellules T avec les cellules cancéreuses à haut débit et obtenir des forces d’interaction cellule-cellule de précision », a déclaré Lee. « Cela pourrait aider les médecins à trouver la thérapie cellulaire la plus efficace et la plus spécifique pour les patients en tant que médecine de précision personnalisée. »