Membranet som omger cellerna fungerar som en selektiv barriär, vagga och skydda cellens innehåll från den yttre omgivningen och välja vilka ämnen som ska släppas in eller ut ur cellen. Forskare har därför kämpat för att konstruera effektiva metoder för att leverera nanomaterial, såsom DNA, proteiner och läkemedel, in i celler.

Nu, forskare från Korea University, i samarbete med Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), har utvecklat en snabb och effektiv leveransmetod som använder kraften hos en liten vätskevirvel för att deformera cellmembranen. Deras resultat publicerades nyligen i tidningen, ACS Nano .

"Nuvarande metoder lider av många begränsningar, inklusive problem med skalbarhet, kosta, låg effektivitet och cytotoxicitet, "sade professor Aram Chung från School of Biomedical Engineering vid Korea University, som ledde studien. "Vårt mål var att använda mikrofluidik, där vi utnyttjade beteendet hos små vattenströmmar, att utveckla en kraftfull ny lösning för intracellulär leverans. "

Den nya enheten - ett mikrofluidiskt chip som kallas 'spiralhydroporator' - kan leverera nanomaterial till cirka en miljon celler varje minut, med upp till 96% effektivitet. Dessutom, hela processen uppnås utan att irreversibelt skada cellerna, med upp till 94% av cellerna som överlever processen.

"Markerna är riktigt prisvärda att göra och enkla att använda, "sa professor Chung." Du pumpar bara en vätska som innehåller cellerna och nanomaterialen i två ändar, och cellerna - som nu innehåller nanomaterialet - flyter ut från de andra två ändarna. Hela processen tar bara en minut. "

Går med flödet

För att skapa enheten, forskarna utformade kanalerna i mikrofluidchipet i en specifik konfiguration, med en korsning i mitten av chipet och två T-korsningar ovanför och under.

När forskarna från Korea University först studerade hur olika kanalgeometrier och flödeshastigheter påverkade cellerna, ett specifikt scenario-en tvärkorsning där måttligt flödande vätskeströmmar kolliderade från motsatta riktningar-utmärkte sig som egendomligt.

"Vi såg ett riktigt intressant beteende som cellerna uppvisade, där de dansade runt i mitten av tvärkanalen, "sade professor Chung.

Genom att tillsätta ett fluorescerande färgämne i en av vätskeströmmarna, forskarna upptäckte att en spiralvirvel hade bildats.

"Vi ville fullt ut förstå vätskemekaniken som orsakar denna effekt, och Micro/Bio/Nanofluids -enheten som leds av professor Amy Shen vid OIST arbetade redan med problemet, "Lade professor Chung till.

De två grupperna av forskare gick därför samman. Med hjälp av OIST -superdatorn, OIST-enheten utvecklade och körde simuleringar av hur de motsatta vätskeströmmarna interagerade vid korsningen, med olika flödeshastigheter.

"Vid en låg flödeshastighet, fann vi att de två träffande vätskeströmmarna skiljde sig symmetriskt och flödade bort från korsningen, som dokumenterat i litteraturen, "sa OIST -forskare, Dr Simon Haward. "Dock, när vi ökade flödeshastigheten, vi såg instabilitet uppstå som fick flera virvlar att bildas, så småningom smälter samman till en stor spiralvirvel. "

"Vår simulering förklarade de ovanliga fenomen som Chungs grupp hade observerat och visade exakt hur vissa parametrar, som flödeshastighet, påverkad virvelbildning, "tillade OIST postdoktor, Doktor Daniel Carlson.

Bildningen av virveln är nyckeln till snabb och effektiv tillförsel av nanomaterial till cellerna. När varje cell passerar in i mitten av korsningen, spiralvirvelns kraft deformerar cellen, orsakar små nanohål i membranet. Nanomaterialen i vätskan kan sedan röra sig in i cellen genom dessa nanohål. Cellerna sveps sedan bort från korsningskorsningen och kolliderar med väggarna i T-korsningarna, vilket orsakar ytterligare deformation av cellmembranet och ökar effektiviteten vid leverans. Efter deformation, nanohålen i membranet förseglar sig själva och membranet repareras.

Öka cellbiologisk forskning

Med hjälp av spiralhydroporation, teamet vid Korea University kunde leverera specifika nanomaterial till celler, inklusive RNA och guldnanopartiklar.

Mer effektiv och billig leverans av DNA, RNA och proteiner som CRISPR-Cas9 i ett stort antal celler kan hjälpa till med forskning kring ämnen inklusive genterapi, immunterapi mot cancer och stamceller, Sa Chung.

Guldnanopartiklar kan också användas för att leverera läkemedel, bildmolekyler och organeller i celler, och för diagnos av sjukdom.

"Övergripande, det finns ett stort antal applikationer för spiralhydroporering och intresset för chipet har varit mycket stort, "sade professor Chung." Forskare behöver en mer effektiv, enkel, snabba och billiga medel för intracellulär leverans-vårt chip är en bra ny väg för att uppnå det målet. "