Forskare vid Washington University i St. Louis har studerat cilia i flera år för att avgöra hur deras dysfunktion leder till infertilitet och andra tillstånd i samband med cilia-relaterade sjukdomar. Nu, de kommer att kunna utföra dessa studier snabbare genom en ny metod som använder ljudvågor för att tillfälligt fånga celler som drivs av cilia, släpper dem sedan för att mäta deras rörelse när de simmar iväg.

Ett tvärvetenskapligt team under ledning av J. Mark Meacham, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid McKelvey School of Engineering, och studenter i hans laboratorium använde ett akustiskt mikrofluidiskt tillvägagångssätt som använder ultraljud stående vågor i en liten vätskefylld kammare för att samla grupper av encelliga gröna algceller Chlamydomonas reinhardtii, en modellorganism för att studera mänskliga cilia. Den så kallade akustiska fällan utnyttjar cellkropparnas materialegenskaper för att hålla dem på plats utan att skada dem. Genom att först samla cellerna, laget kan effektivt analysera hundratals celler på några minuter. Resultaten publicerades i och presenterades på insidan av baksidan av tidningen Mjuk materia i den 12 juni, 2019, tryckt upplaga.

"Tänk på det som en liten bur gjord av ultraljudsfältet, ”Sade Meacham.” Cellerna försöker hitta ett sätt att fly men skjuts tillbaka av vågorna som utgör burens väggar. När väggarna tas bort, de är fria att springa. "

Cilia är små hårliknande strukturer i celler som kantar våra lungor, näsa, hjärnan och reproduktionssystemet. De är utformade för att sopa ut vätskor och mikrober för att hålla människor friska. När de inte fungerar, infertilitet, kroniska mellanöronsinfektioner, vatten på hjärnan och andra tillstånd kan utvecklas.

Susan Dutcher, professor i genetik och cellbiologi och fysiologi vid School of Medicine och en medförfattare till uppsatsen, arbetar med C. reinhardtii och hundratals av dess genetiska varianter, eller mutanter, att studera ciliärt beteende och dysfunktion. Analysera så många varianter med nuvarande metoder, som manuellt spårar enskilda celler, skulle ta väldigt lång tid, Sa Meacham.

"Det är användbart för Dr. Dutcher att snabbt klassificera sina celler baserat på simningseffektivitet och att välja de som är av mest intresse för de mer mödosamma och tråkiga, detaljerad analys, "Meacham sa." Det är vad den här typen av befolkningsbaserad metod verkligen hjälper till med, så att vi kan analysera ett stort antal givna mutanter på kort tid. "

För detta arbete, laget använde tre genetiska varianter av C. reinhardtii -celler från Dutchers laboratorium som modeller.

Meacham och en doktorand, Minji Kim, första författaren på tidningen, utvecklat mikrofluidchipet, som är tillräckligt liten för att två av dem ska passa på en 1 x 3-tums glasskiva. Celler gick in och ut genom inlopps- och utloppskanaler anslutna till en cirkulär kammare i mitten av enheten - som är som en stor, öppna hållarpenna för cellerna - innan ultraljudet slås på. Kim och Meacham satte in vätska som innehåller cellerna i enheten, aktiverade sedan ultraljudet via en piezoelektrisk givare. Ultraljudsvågorna reflekterar från kammarens väggar för att skapa tryckbrunnar i den cirkulära kammaren, som fångar cellerna i en grupp i kammarens centrum.

Efter avbildning av cellerna, forskarna stänger av ultraljudet, effektivt öppnar burdörren och låter cellerna simma iväg.

"Denna akustiska fälla låter oss göra denna intressanta typ av analys som vi inte kunde göra på något annat sätt, "Meacham sa." Vi kan fånga och släppa en cellpopulation, analysera det, ladda upp nästa befolkning, fälla, släpp, analysera, och ladda upp nästa på ett tiotal sekunder till en minut per prov för att få ett graderat mått på simförmåga för de olika celltyperna. "

Analys av spridningsceller automatiseras enkelt eftersom simning börjar från en enda plats, Sa Meacham. Celler visas som svarta pixlar i på varandra följande bilder av de frigjorda cellerna. Förändringen i cellernas form är då relaterad till simhastigheten.

"Vi observerar dem simma i en till tre sekunder, sedan när vi har dessa bilder, processen för att analysera dem är automatiserad, "Kim sa." Vi kan få motilitetsmätningen från cirka 50 celler på ett automatiserat sätt betydligt snabbare än genom att behöva spåra enskilda celler. "

I sista hand, teamet försöker ge forskare ett verktyg som kategoriserar celler baserat på deras rörelseförmåga, vare sig det gäller att katalogisera C. reinhardtii -mutanter eller för att bedöma spermiecellmotilitet, Sa Meacham.