Genom att behandla levande celler som små absorberande svampar, forskare har utvecklat ett potentiellt nytt sätt att introducera molekyler och terapeutiska gener i mänskliga celler.

Tekniken komprimerar först celler i en mikrofluidisk enhet genom att snabbt flöda dem genom en serie små "fartgupp" inbyggda i mikrokanalerna, som komprimerar ut små mängder vätska – känd som cytosol – inifrån cellerna. Cellerna återhämtar sig sedan naturligt och fyller på sig själva, suger upp omgivande vätska och drar in makromolekyler eller gener inblandade i den. Även om de plötsliga kollisionerna kan minska cellvolymen med så mycket som 30 procent, cellerna återhämtar sig snabbt och mindre än fem procent av cellerna upplever viabilitetsförlust.

Den nya tekniken är känd som cellvolymutbyte för konvektiv överföring, eller cell VECT. Det tros vara den första kompressionsprocessen som föranleder mycket övergående cellvolymutbyte genom att utnyttja cellers förmåga att förlora och snabbt återvinna sin cytosol. Forskningen, som stöddes av National Science Foundation, National Institutes of Health och Wallace H. Coulter Foundation, rapporterades online den 17 april av tidskriften Material idag .

"Vi drar fördel av en inneboende mekanisk egenskap hos celler, sa Anna Liu, en Ph.D. kandidat i laboratoriet för docent Todd Sulchek vid Georgia Techs Woodruff School of Mechanical Engineering. "När celler plötsligt komprimeras under en period av mikrosekunder, de tappar en del av sin volym. Cellerna byter volym med vätskan runt dem, och det är det som tillåter dem att konvektivt ta upp makromolekyler från sin miljö."

Tekniken kan vara användbar för celltransfektion, där en målgen introduceras i mänskliga celler för att orsaka beteende som cellerna vanligtvis inte skulle uppvisa, såsom uttryck av ett protein. Det finns ett antal befintliga tekniker för att introducera genetiskt material i levande celler, inklusive användning av specialdesignade virus, men befintliga tekniker har betydande nackdelar.

Ett brett utbud av terapeutiska och diagnostiska tillämpningar skulle kunna dra nytta av introduktion av stora molekyler, som också skulle kunna användas som markörer för kvalitetskontrollsyften vid celltillverkning. "Det finns många skäl att vilja leverera molekyler till det inre av celler, men det finns inte många bra sätt att göra det på, sa Liu, som är National Science Foundation Graduate Research Fellow.

Forskarna upptäckte komprimerings- och volymförändringsfenomenen samtidigt som de utvecklade tekniker för att sortera celler efter deras mekaniska egenskaper. I sina mikrofluidiska enheter, kompression tvingade mjukare celler att röra sig i en riktning, medan styvare celler tog en annan väg. Även om forskningen fokuserade på upptäckt av cancer, det gav också en ny förståelse för vad som händer med celler när de komprimeras snabbt.

"Vår teknik beror inte alls på egenskaperna hos makromolekyler för att göra jobbet, " Liu förklarade. "Aktiviteten är all orsakad av det konvektiva inflödet av vätskevolym tillbaka in i cellerna. Molekylerna i vätskan är precis med på resan, som tillåter oss att överföra molekyler utan hänsyn till deras storlek eller egenskaper."

Kompressionshastigheten är kritisk. Om celler genomgår komprimering under längre tidsperioder, de kan deformeras gradvis och behålla sin volym. Hela cell VECT-komprimering och avslappningsprocessen tar millisekunder, får cellerna att plötsligt deformeras utan att spara volym. Ändå har processen liten eller ingen effekt på cellviabiliteten. "Vi har gjort en mängd olika tester för att se om cellviabilitet, funktion och genuttryck förändras, och vi har inte sett några betydande skillnader, " sa Liu.

Forskarna har studerat ett brett spektrum av mänskliga celltyper, från prostatacancer till leukemiceller, och även primära T-celler. De började med att leverera en polysackarid, dextran, och följt upp med proteiner, RNA och plasmider. För att utforska gränserna för tekniken, de använde cell VECT för att flytta 100 nanometer partiklar in i celler.

Förutom att överföra terapeutiska och diagnostiska makromolekyler som nu är svåra att införa i celler, tekniken kan tillåta större makromolekyler att levereras till celler, öppnar nya möjligheter för cellteknik och terapier.

"Cell VECT betyder att vi inte längre är begränsade av storleken på lasten som ett virus kan bära, sa Alexander Alexeev, en docent vid Woodruff School of Mechanical Engineering och en samarbetspartner i forskningen. "Detta kan öppna ett nytt sätt för forskare att konstruera levande celler med mer komplexa molekyler. Laststorlek skulle inte längre vara en kritisk fråga."

Genom att introducera märkningsmolekyler i celler, cell VECT-tekniken kan också tillhandahålla en tillförlitlig och reproducerbar kvalitetskontrollteknik för tillverkning av processer som genererar terapeutiska celler, Sulchek noterade.

I framtida arbete, forskarna planerar att utveckla en bättre förståelse för hur tekniken fungerar, studera parametrarna för processen - och observera celler under långa tidsperioder för att säkerställa att det inte finns några skadliga effekter.

"Det finns fortfarande en grundläggande vetenskaplig förståelse som vi behöver utveckla, " sa Sulchek. "Vi skulle vilja karakterisera vad som lämnar cellerna, och under vilka förhållanden de lämnar. Vi vill veta hur snabbt saker återvänder, vilka är begränsningarna för den avkastningen, och vart de går i cellen när de kommer tillbaka."