Leverans av experimentmaterial till enskilda celler med exakthet och exklusivitet har länge varit en svårfångad och mycket eftertraktad förmåga inom biologin. Med det följer löftet om att dechiffrera många långvariga hemligheter i cellen.
En forskargrupp vid Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin, Erlangen ledd av professor Vahid Sandoghdar har nu framgångsrikt visat hur små molekyler och enstaka nanopartiklar kan appliceras direkt på cellytan.
I studien, som publicerades i Nature Methods , beskriver forskarna sin teknik som en "μkiss" (microkiss) – en enkel och kostnadseffektiv ny metod som öppnar upp för nya möjligheter inom encellsvetenskap med sikte på nästa generations terapeutiska tillämpningar.
Traditionella tillvägagångssätt inom biologi tar ofta hänsyn till egenskaper över hela cellpopulationer, och missar de nyanserade variationerna i egenskaper från en cell till en annan. För att undersöka biologi mer exakt på individuell cellnivå är utvecklingen av nya verktyg och metoder absolut nödvändig.
"En avgörande lucka kvarstår i vår förmåga att administrera kemikalier, etiketter och läkemedel till individuella celler med precision och kontroll, över korta varaktigheter och små mikroskopiska längdskalor", säger professor Vahid Sandoghdar, chef för Max Planck Institute for the Science of Light och Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin. Prof. Sandoghdar och hans team har aktivt tagit sig an denna utmaning.
Forskarna utarbetade en enkel men elegant lösning på detta problem:genom att använda två tätt placerade mikropipetter med en öppning så liten som bara en mikrometer kunde forskarna skapa en stabil mikrodroppar av material vid mikropipettens ändar genom att använda en mikropipett för att dispensera material, medan den andra suger in det i något högre takt.
"Då är det precis som en pensel", säger Richard W. Taylor, postdoktor och medlem av teamet, och tillägger:"Du kan enkelt manövrera runt mikropipetterna och försiktigt borsta den här instängda droppen mot din valda cell - och leverera en liten μkyss av material."
Denna enkla implementering, med hjälp av lättillgängliga komponenter, gör att deras teknik enkelt kan implementeras till låg kostnad i alla mikroskop inom biologiskt orienterade laboratorier.
"Det kostnadseffektiva och pragmatiska tillvägagångssättet för vår lösning är viktigt för dess användning i praktiken", säger Prof. Sandoghdar och tillägger, "Bristningen på liknande lösningar har hittills försenat framstegen mot nya terapeutiska metoder på encellsnivå."
Den nya metoden ger försöksledaren full kontroll. "Med μkiss uppnår vi en helt ny dimension i den exakta appliceringen av ämnen på celler", förklarar Cornelia Holler, doktorand i biologi och medlem i forskargruppen. Material kan nu levereras exakt till vilken cell som helst på subcellulär nivå, med fullständig kontroll över tiden och positionen som materialet är i kontakt med cellen.
"Vi kan nu titta på hela biologiska processer, som cellens upptag av järn, utan att missa ett steg - detta gör att vi äntligen kan lägga pusslet med de komplexa egenskaperna hos varje enskild cell", säger Holler.
Nyligen uppnådde teamet den exakta placeringen av en enda virusliknande partikel på en levande cell. Denna experimentella förmåga skapar en möjlighet att undersöka svårigheterna med sjukdomsförökning, vilket ger full kontroll över platsen, tidpunkten och omfattningen av cellinfektion.
"Förmågan att μkiss öppnar nya vägar för kvantitativa studier inom cellbiologi och medicin", säger professor Sandoghdar.
Mer information: Cornelia Holler et al, En målarpensel för leverans av nanopartiklar och molekyler till levande celler med exakt spatiotemporal kontroll, Naturmetoder (2024). DOI:10.1038/s41592-024-02177-x
Tillhandahålls av Max Planck Institute for the Science of Light
