Fanget i et spin:Spiral vortex strømliner levering af nanomaterialer til celler

Membranen omkring celler fungerer som en selektiv barriere, vugge og beskytte cellens indhold mod de ydre omgivelser og vælge hvilke stoffer der skal komme ind eller ud af cellen. Forskere har derfor kæmpet for at udvikle effektive metoder til at levere nanomaterialer, såsom DNA, proteiner og lægemidler, ind i celler.

Nu, forskere fra Korea University, i samarbejde med Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har udviklet en hurtig og effektiv leveringsmetode, der bruger kraften fra en lille væskehvirvel til at deformere cellemembranerne. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet, ACS Nano .

"Nuværende metoder lider af adskillige begrænsninger, herunder problemer med skalerbarhed, koste, lav effektivitet og cytotoksicitet, " sagde professor Aram Chung fra School of Biomedical Engineering ved Korea University, der ledede undersøgelsen. "Vores mål var at bruge mikrofluidik, hvor vi udnyttede opførselen af ​​små vandstrømme, at udvikle en kraftfuld ny løsning til intracellulær levering."

Den nye enhed - en mikrofluidisk chip kaldet en 'spiral hydroporator' - kan levere nanomaterialer til omkring en million celler hvert minut, med op til 96 % effektivitet. I øvrigt, hele processen opnås uden irreversibelt at beskadige cellerne, med op til 94 % af cellerne, der overlever processen.

"Chipsene er virkelig overkommelige at lave og nemme at bruge, " sagde professor Chung. "Du pumper bare en væske, der indeholder cellerne og nanomaterialerne i to ender, og cellerne - der nu indeholder nanomaterialet - flyder ud af de to andre ender. Hele processen tager kun et minut."

Går med strømmen

For at oprette enheden, forskerne designede kanalerne i mikrofluidchippen i en specifik konfiguration, med et krydskryds i midten af ​​chippen og to T-kryds over og under.

Da forskerne fra Korea University først undersøgte, hvordan forskellige kanalgeometrier og strømningshastigheder påvirkede cellerne, et specifikt scenarie - et krydskryds, hvor moderat strømmende væskestrømme kolliderede fra modsatte retninger - skilte sig ud som ejendommelig.

"Vi så en virkelig interessant adfærd udvist af cellerne, hvor de dansede rundt i midten af ​​tværkanalen, " sagde professor Chung.

Ved at tilføje et fluorescerende farvestof i en af ​​væskestrømmene, forskerne opdagede, at der var dannet en spiralhvirvel.

"Vi ønskede fuldt ud at forstå væskemekanikken, der forårsager denne effekt, og Micro/Bio/Nanofluids Unit ledet af professor Amy Shen ved OIST arbejdede allerede på problemet, " tilføjede professor Chung.

De to grupper af videnskabsmænd slog sig derfor sammen. Ved at bruge OIST-supercomputeren, OIST-enheden udviklede og kørte simuleringer af, hvordan de modstående væskestrømme interagerede ved krydskrydset, ved forskellige strømningshastigheder.

"Ved en lav strømningshastighed, vi fandt ud af, at de to stødende væskestrømme deltes symmetrisk og strømmede væk fra krydset, som dokumenteret i litteraturen, " sagde OIST videnskabsmand, Dr. Simon Haward. "Imidlertid, da vi øgede flowhastigheden, vi så ustabiliteter opstå, som fik flere hvirvler til at danne sig, til sidst smelter sammen til en stor spiralhvirvel."

"Vores simulering forklarede de usædvanlige fænomener, som Chungs gruppe havde observeret og viste præcis, hvordan visse parametre, såsom flowhastighed, påvirket hvirveldannelse, " tilføjede OIST postdoc forsker, Dr. Daniel Carlson.

Dannelsen af ​​hvirvelen er nøglen til hurtig og effektiv levering af nanomaterialer ind i cellerne. Når hver celle passerer ind i midten af ​​krydskrydset, kraften fra spiralhvirvelen deformerer cellen, får små nanohuller til at opstå i membranen. Nanomaterialerne i væsken er så i stand til at bevæge sig ind i cellen gennem disse nanohuller. Cellerne bliver derefter fejet væk fra krydskrydset og kolliderer med væggene i T-krydset, hvilket forårsager yderligere deformation af cellemembranen og øger effektiviteten af ​​leveringen. Efter deformation, nanohullerne i membranen genforsegler sig selv, og membranen repareres.

Styrkelse af cellebiologisk forskning

Ved hjælp af spiral hydroporation, holdet på Korea University var i stand til at levere specifikke nanomaterialer ind i celler, herunder RNA og guld nanopartikler.

Mere effektiv og billig levering af DNA, RNA og proteiner som CRISPR-Cas9 i et stort antal celler kan hjælpe med forskning i emner, herunder genterapi, kræftimmunterapi og stamceller, sagde Chung.

Guld nanopartikler kan også bruges til at levere lægemidler, billeddannelse af molekyler og organeller i celler, og til diagnosticering af sygdom.

"Samlet set, der er en bred vifte af applikationer til spiralhydroporation, og interessen for chippen har været meget stor, " sagde professor Chung. "Forskere har brug for en mere effektiv, enkel, hurtige og billige metoder til intracellulær levering - vores chip er en fantastisk ny vej til at nå dette mål."