让工程细胞随着超声波起舞

假设您需要将单个单元格从一个位置移动到另一个位置。你会怎么做?也许是一些特殊的镊子?一把很小的铲子?

事实上，操纵单个细胞是一项艰巨的任务。已经对所谓的光镊进行了一些研究，这些镊子可以用光束推动细胞，但是虽然它们擅长移动单个细胞，但它们并不是为了操纵更多的细胞。

加州理工学院进行的新研究创造了一种替代方案：由基因工程细胞产生的充满空气的蛋白质，可以通过超声波与含有它们的细胞一起被推动。一篇描述这项工作的论文发表在《科学进展》杂志上。

这项工作建立在之前在化学工程和医学工程教授兼霍华德休斯医学研究所研究员米哈伊尔·夏皮罗实验室进行的工作之上。

Shapiro多年来一直使用源自细菌的气体囊泡作为声学标签。这些囊泡是充满空气的蛋白质胶囊，为某些种类的水生细菌提供浮力。但它们还有另一个有用的品质：由于它们充满空气的内部，它们在超声图像中表现得非常强烈。夏皮罗对这种品质的发现促使他的实验室开发了气体囊泡作为跟踪单个细菌细胞位置的遗传标记，并用于观察体内哺乳动物细胞的基因表达活动。

现在，夏皮罗和他的同事们已经证明，这些囊泡可以在超声波的影响下将细胞推拉到特定位置。这种现象与空气中的超声波如何用于悬挂和/或移动小而轻的物体非常相似。这是因为声波会产生作用于其附近物体的压力区。物体或材料的物理性质决定了它是否会被吸引到高压区或被它排斥。正常细胞被推离高压区域，但含有气体囊泡的细胞被吸引到它们身上。

“我们以前曾使用这些囊泡进行成像，这次我们已经证明我们实际上可以将它们用作致动器，因此我们可以使用超声波对这些物体施加力，”Di Wu(MS ' 16，Ph.D. ' 21)说，他是夏皮罗实验室的研究科学家，也是该研究的主要作者。“这使我们能够做的是使用超声波在太空中移动细胞，并且能够以非常有选择性的方式做到这一点。

夏皮罗和吴说，你可能希望能够移动细胞有几个原因。首先，组织工程 - 用于研究或医疗目的的人造组织的创建 - 需要特定类型的细胞以复杂的模式排列。例如，人造肌肉可能需要多层肌肉细胞、产生肌腱的细胞和神经细胞。

您可能想要移动细胞的另一种情况是基于细胞的疗法，这是一个医学领域，其中具有所需特性的细胞被引入体内。

“你正在将工程细胞引入体内，它们到处寻找目标，”Di说。“但是有了这项技术，我们可能有一种方法可以引导它们到体内所需的位置。

作为演示，研究小组表明，含有气体囊泡的细胞可以被迫聚集成一个小球，或排列成细带，或推到容器的边缘。当他们改变超声波模式时，细胞“跳舞”以占据新的位置。他们还开发了一种超声波模式，将细胞推入凝胶中的字母“R”形状，在凝胶凝固后将它们保持该形状。他们称由此产生的图形为“声学全息图”。

超声装置将气体囊泡排列成溶液中字母R的形状。学分：兰斯·林田/加州理工学院

Wu说，他们的研究有可能立即产生影响的一个领域是细胞分选，这是各种生物学和医学研究所必需的过程。

“人们现在对细胞进行分选的一种常见方法是设计它们表达荧光蛋白，然后使用荧光激活细胞分选仪(FACS)，”他说。“这是一台价值300万美元的设备，体积庞大，通常存放在生物安全柜中，并且不会非常快速地对细胞进行分类。

“相比之下，声流分拣可以用一个可能花费10美元的微小芯片来完成。造成这种差异的原因是，在荧光分选中，您必须分别测量细胞的基因表达，然后移动它们。这是一次一个单元格完成的。通过气体囊泡表达，细胞的遗传学与施加在细胞上的力直接相关。如果它们表达气体囊泡，它们将经历不同的力，因此我们不需要单独检查它们是否表达气体囊泡然后移动它们;我们可以一次移动它们。这大大简化了事情。