Trap-and-release accelererer studiet af svømmende cilierede celler

Forskere ved Washington University i St. Louis har studeret cilia i årevis for at fastslå, hvordan deres dysfunktion fører til infertilitet og andre tilstande forbundet med cilia-relaterede sygdomme. Nu, de vil være i stand til at udføre disse undersøgelser hurtigere gennem en ny metode, der bruger lydbølger til midlertidigt at fange celler, der drives af cilia, slipper dem derefter for at måle deres bevægelse, mens de svømmer væk.

Et tværfagligt team ledet af J. Mark Meacham, adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab på McKelvey School of Engineering, og studerende i hans laboratorium brugte en akustisk mikrofluidisk tilgang, der bruger stående ultralydsbølger i et lille væskefyldt kammer til at indsamle grupper af de encellede grønne algeceller Chlamydomonas reinhardtii, en modelorganisme til at studere menneskelige cilia. Den såkaldte akustiske fælde udnytter cellelegemernes materialeegenskaber til at holde dem på plads uden at beskadige dem. Ved først at samle cellerne, teamet kan effektivt analysere hundredvis af celler på få minutter. Resultaterne blev offentliggjort i og vist på indersiden af ​​bladets bagside Soft Matter i juni 12, 2019, trykt udgave.

"Tænk på det som et lille bur lavet af ultralydsfeltet, " sagde Meacham. "Cellerne forsøger at finde en måde at undslippe, men bliver skubbet tilbage af bølgerne, der udgør burets vægge. Når væggene fjernes, de er fri til at løbe. "

Cilia er små hårlignende strukturer i celler, der beklæder vores lunger, næse, hjerne og reproduktive systemer. De er designet til at feje væsker og mikrober ud for at holde mennesker sunde. Når de ikke fungerer korrekt, infertilitet, kroniske mellemøreinfektioner, vand på hjernen og andre tilstande kan udvikle sig.

Susan Dutcher, professor i genetik og i cellebiologi og fysiologi på School of Medicine og en medforfatter på papiret, arbejder med C. reinhardtii og hundredvis af dens genetiske varianter, eller mutanter, at studere ciliær adfærd og dysfunktion. Analyse af så mange varianter ved hjælp af nuværende metoder, som manuelt sporer individuelle celler, ville tage meget lang tid, Sagde Meacham.

"Det er nyttigt for Dr. Dutcher hurtigt at klassificere sine celler baseret på svømningseffektivitet og vælge dem, der er mest interessante for de mere besværlige og kedelige, detaljeret analyse, " sagde Meacham. "Det er, hvad denne type befolkningsbaserede metode virkelig hjælper med, giver os mulighed for at analysere et stort antal givne mutanter på kort tid. "

Til dette arbejde, holdet brugte tre genetiske varianter af C. reinhardtii -celler fra Dutchers laboratorium som modeller.

Meacham og en doktorand, Minji Kim, første forfatter på papiret, udviklet mikrofluidchippen, som er lille nok til at to af dem passer på et 1 x 3 tommer glasskred. Celler kom ind og ud gennem indløbs- og udløbskanaler forbundet til et cirkulært kammer i midten af ​​enheden - som er som en stor, åben holdepen til cellerne - inden ultralydet tændes. Kim og Meacham indsatte væske indeholdende cellerne i enheden, aktiverede derefter ultralydet via en piezoelektrisk transducer. Ultralydbølgerne reflekterer ud af kammervæggene for at skabe trykbrønde i det cirkulære kammer, som fanger cellerne i en gruppe i kammerets centrum.

Efter billeddannelse af cellerne, forskerne slukker for ultralyden, effektivt åbner burdøren og lader cellerne svømme af.

"Denne akustiske fælde giver os mulighed for at lave denne interessante type analyse, som vi ikke kunne gøre på nogen anden måde, "Sagde Meacham." Vi kan fange og frigive en cellepopulation, analysere det, belastning af den næste befolkning, fælde, frigøre, analysere, og indlæse den næste i løbet af snesevis af sekunder til et minut pr. prøve for at få et graderet mål for svømningsevne for de forskellige celletyper. "

Analyse af spredende celler er let automatiseret, fordi svømning starter fra et enkelt sted, Sagde Meacham. Celler vises som sorte pixels i successive billeder af de frigivne celler. Ændringen i cellernes form er derefter relateret til svømmehastighed.

"Vi ser dem svømme i et til tre sekunder, så når vi har disse billeder, processen med at analysere dem er automatiseret, "Kim sagde." Vi kan få motilitetsmåling fra omkring 50 celler på en automatiseret måde betydeligt hurtigere end ved at skulle spore individuelle celler. "

Ultimativt, teamet søger at give forskere et værktøj, der kategoriserer celler baseret på deres bevægelsesevne, hvad enten det er til katalogisering af C. reinhardtii -mutanter eller til vurdering af sædcellens motilitet, sagde Meacham.