Magnetiske nanopartikler bruges til at kontrollere tusindvis af celler samtidigt

(Phys.org)—Ved brug af klynger af små magnetiske partikler omkring 1, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, forskere fra UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har vist, at de kan manipulere, hvordan tusindvis af celler deler sig, morph og udvikle fingerlignende extensions.

Dette nye værktøj kan bruges i udviklingsbiologi til at forstå, hvordan væv udvikler sig, eller i kræftforskning for at afdække, hvordan kræftceller bevæger sig og invaderer omgivende væv, sagde forskerne.

UCLA-holdets resultater blev offentliggjort online den 14. oktober i tidsskriftet Naturens metoder .

En celle kan betragtes som en kompleks biologisk maskine, der modtager et udvalg af "input" og producerer specifikke "outputs, "såsom vækst, bevægelse, deling eller produktion af molekyler. Ud over typen af ​​input, celler er ekstremt følsomme over for placeringen af ​​et input, dels fordi celler udfører "spatial multipleksing, "genbruger de samme grundlæggende biokemiske signaler til forskellige funktioner på forskellige steder i cellen.

At forstå denne lokalisering af signaler er særligt udfordrende, fordi videnskabsmænd mangler værktøjer med tilstrækkelig opløsning og kontrol til at fungere inde i en celles miniaturemiljø. Og ethvert brugbart værktøj skal være i stand til at forstyrre mange celler med lignende karakteristika samtidigt for at opnå en nøjagtig fordeling af svar, da reaktionerne fra individuelle celler kan variere.

For at løse dette problem, et tværfagligt UCLA-hold, der omfattede lektor i bioingeniør Dino Di Carlo, postdoc Peter Tseng og professor i elektroteknik Jack Judy udviklede en platform til præcist at manipulere magnetiske nanopartikler inde i ensartet formede celler. Disse nanopartikler producerede et lokalt mekanisk signal og gav distinkte reaktioner fra cellerne.

Ved at bestemme svarene fra tusindvis af enkeltceller med samme form på lokale nanopartikel-inducerede stimuli, forskerne var i stand til at udføre en automatiseret gennemsnitsberegning af cellernes respons.

For at opnå denne platform, holdet skulle først overvinde udfordringen med at flytte så små partikler (som hver måler 100 nanometer) gennem det tyktflydende indre af en celle, når først cellerne opslugte dem. Ved hjælp af ferromagnetiske teknologier, som gør det muligt for magnetiske materialer at tænde og slukke, "teamet udviklede en tilgang til at indlejre et gitter af små ferromagnetiske blokke i et mikrofremstillet glasobjektglas og præcist at placere individuelle celler i nærheden af ​​disse blokke med et mønster af proteiner, der klæber til celler.

Når et eksternt magnetfelt påføres dette system, de ferromagnetiske blokke er tændt og kan derfor trække nanopartiklerne inde i cellerne i bestemte retninger og justere dem ensartet. Forskerne kunne så forme og kontrollere kræfterne i tusindvis af celler på samme tid.

Ved at bruge denne platform, holdet viste, at cellerne reagerede på denne lokale styrke på flere måder, også i måden de delte sig på. Når celler gennemgår replikationsprocessen for at skabe to celler, delingsaksen afhænger af cellens form og de forankringspunkter, hvormed cellen holder på overfladen. Forskerne fandt ud af, at kraften induceret af nanopartiklerne kunne ændre celledelingsaksen, således at cellerne i stedet delte sig langs kraftens retning.

Forskerne sagde, at denne følsomhed over for kraft kan kaste lys over den indviklede dannelse og strækning af væv under embryonal udvikling. Udover at styre divisionens akse, de fandt, at nanopartikel-induceret lokal kraft også førte til aktiveringen af ​​et biologisk program, hvor celler genererer filopodia, som er fingerlignende, aktinrige extensions, som celler ofte bruger til at finde steder at klæbe til, og som hjælper med bevægelse.

Di Carlo, forskningslederen, forestiller sig, at teknikken kan anvendes uden for kontrol af mekaniske stimuli i celler.

"Nanopartikler kan belægges med en række forskellige molekyler, der er vigtige i cellesignalering, " sagde han. "Vi skulle nu have et værktøj til kvantitativt at undersøge, hvordan den præcise placering af molekyler i en celle producerer en bestemt adfærd. Dette er en nøgle, der mangler i vores værktøjssæt til at forstå celleprogrammer og til at konstruere celler til at udføre nyttige funktioner."