Nanoteknologi muliggør enkeltcellessortering efter funktion

I næsten 40 år har lægemiddelproducenter brugt gensplejsede celler som små lægemiddelfabrikker. Sådanne celler kan programmeres til at udskille forbindelser, der giver lægemidler, der bruges til at behandle cancer og autoimmune tilstande såsom gigt.

Bestræbelser på at udvikle og fremstille nye biologiske behandlinger kan drage fordel af en ny teknologi til hurtigt at sortere enkelte, levende celler i en standard laboratorieopsætning. Med mikroskopiske, skålformede hydrogelbeholdere kaldet "nanovials" har et UCLA-ledet forskerhold for nylig demonstreret evnen til at udvælge celler baseret på hvilken type de er, og hvilke forbindelser - og hvor meget af disse forbindelser - de udskiller. Undersøgelsen blev publiceret i tidsskriftet ACS Nano .

Teknologien kunne også fremme grundlæggende biologisk forskning.

"Med denne teknologi kan det videnskabelige samfund afsløre ny indsigt i vigtige biologiske processer, der repræsenterer en enorm brøkdel af vores proteinkodende gener," sagde Dino Di Carlo, undersøgelsens tilsvarende forfatter og Armond og Elena Hairapetian professor i ingeniørvidenskab og medicin ved UCLA Samueli School of Engineering. "Jeg tænker på den enkelte celle som biologiens kvantegrænse. Nanovialet er udviklingen af ​​petriskålen til den grundlæggende grænse for én celle."

Di Carlo, som også er medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA og UCLA Jonsson Comprehensive Cancer Center, sagde, at brugen af ​​nanovialer hjælper videnskabsmænd med at overvinde begrænsningerne ved andre instrumenter til måling af cellesekretioner.

Den mere almindelige teknik bruger et gitter af bittesmå plastikbeholdere kaldet en mikrobrøndplade, men den tilgang mangler nanovialets evne til at sortere enkeltceller, og den nuværende teknologi kræver typisk uger for nok celler at vokse til, at sekreter kan påvises. Det andet alternativ er et multimillion-dollar-instrument, der kun findes i et par dusin laboratorier verden over, som måler sekretet fra omkring 10.000 celler pr. eksperiment og kan sortere levende celler.

Sammenlignet med det instrument kan nanovialer bruges til at udføre meget større screeninger - i millioner af celler - til en lille brøkdel af den relative pris - mindre end en cent pr. celle, mod $1 eller mere pr. celle ved at bruge den nuværende standard.

Nanovialer er så små, at det ville tage 20 millioner af dem at fylde en teskefuld. De er skræddersyet til at fange specifikke typer celler og kan forstærkes med molekyler, der binder sig til en celles sekret og lyser under farvet lys. Fordi nanovialer er lavet af en hydrogel - en polymer, der holder næsten 20 gange sin masse i vand - giver de et vådt miljø, der relativt ligner cellernes naturlige hjem.

I undersøgelsen undersøgte forskere celler, der var blevet konstrueret til at udskille et bestemt antistoflægemiddel. Ved at bruge nanovialer og en almindelig analytisk enhed kaldet et flowcytometer udvalgte de celler, der udskilte mest af det antistof, og dyrkede derefter disse celler til kolonier, der producerede over 25 % mere af lægemidlet end kolonier, der ikke var blevet specielt udvalgt.

Evnen til at producere antistoflægemidler med den øgede effektivitet kunne reducere omkostningerne ved lægemiddelproduktion med en tilsvarende procentdel, sagde Di Carlo.

Forskerne viste også, at de kunne udvælge sjældne antistof-udskillende celler, der bandt specifikt til et målmolekyle, og kunne identificere DNA-sekvensinformationen for det udskilte antistof. Det eksperiment, en vigtig del af opdagelsen af ​​nye antistoflægemidler, tog en dag; traditionelle metoder ville tage uger.

Forskerne bruger i øjeblikket nanovialer til at studere immunceller kaldet T-celler, som bruges i celleterapier, samt til at udforske lidt forståede biologiske fænomener. Nanovial teknologi er også grundlaget for en startup-virksomhed, Partillion Bioscience, der er baseret på UCLA-campus ved CNSI's Magnify-inkubator.

"Vi er spændte på at se, hvilken indvirkning nanovialer vil have for biologisk forskning, nu hvor de er tilgængelige for alle at bruge," sagde Joseph de Rutte, avisens medførsteforfatter, som tog en doktorgrad fra UCLA i 2020 og er med- grundlægger og præsident for Partillion.

Robert Dimatteo, der fik en doktorgrad fra UCLA i 2021, er avisens anden medførsteforfatter. Andre UCLA-medforfattere er Maani Archang, Sohyung Lee og Kyung Ha, som for nylig har opnået doktorgrader; nuværende ph.d.-studerende Mark van Zee, Doyeon Koo, Michael Mellody og Shreya Udani; assisterende projektforsker Allison Sharrow; James Eichenbaum, som for nylig fik en bachelorgrad; og professorerne Andrea Bertozzi og Robert Damoiseaux. Andre forfattere er fra Johns Hopkins University og University of Houston. + Udforsk yderligere

Ny metode til fremstilling af mikropartikler kan fremskynde lægemiddeludvikling, produktion af nye cellestammer