Теперь исследователи из Корейского университета в сотрудничестве с Окинавским институтом науки и технологий (OIST) разработали быстрый и эффективный метод доставки, который использует силу крошечного жидкого вихря для деформации клеточных мембран. Их выводы были недавно опубликованы в журнале ACS Nano.
«Текущие методы страдают многочисленными ограничениями, включая проблемы с масштабируемостью, стоимостью, низкой эффективностью и цитотоксичностью», – сказал профессор Арам Чанг из Школы биомедицинской инженерии Корейского университета, возглавлявший исследование. «Наша цель состояла в том, чтобы использовать микрофлюидику, в которой мы использовали поведение крошечных потоков воды, чтобы разработать новое мощное решение для внутриклеточной доставки."
Новое устройство – микрожидкостный чип, называемый «спиральный гидропоратор», может доставлять наноматериалы примерно в один миллион ячеек каждую минуту с эффективностью до 96%. Более того, весь процесс достигается без необратимого повреждения клеток, при этом до 94% клеток выживают в процессе.
«Чипы действительно доступны по цене в изготовлении и просты в использовании», – сказал профессор Чанг. "Вы просто перекачиваете жидкость, содержащую клетки и наноматериалы на двух концах, а клетки – теперь содержащие наноматериал – вытекают из двух других концов.
Весь процесс занимает всего одну минуту."
Плыть по течению
Чтобы создать устройство, ученые разработали каналы в микрожидкостном чипе в определенной конфигурации с перекрестным переходом в центре чипа и двумя Т-образными переходами сверху и снизу.
Когда ученые из Корейского университета впервые изучали, как разные геометрии каналов и скорости потока влияют на клетки, один конкретный сценарий – перекрестное соединение, где умеренно текущие потоки жидкости сталкиваются с противоположных направлений – выделялся как своеобразный.
«Мы наблюдали действительно интересное поведение клеток, когда они танцевали в центре перекрестка», – сказал профессор Чанг.
Добавив флуоресцентный краситель в один из потоков жидкости, исследователи обнаружили, что образовался спиральный вихрь.
«Мы хотели полностью понять механику жидкости, вызывающую этот эффект, и отдел микро / био / наножидкостей под руководством профессора Эми Шен из OIST уже работал над этой проблемой», – добавил профессор Чанг.
Поэтому две группы ученых объединились.
Используя суперкомпьютер OIST, подразделение OIST разработало и выполнило моделирование того, как противоположные потоки жидкости взаимодействуют в перекрестке с разными скоростями потока.
«При низком расходе мы обнаружили, что два встречных потока жидкости симметрично разделяются и уходят от перекрестка, как указано в литературе», – сказал ученый OIST, д-р. Саймон Хавард. "Однако, когда мы увеличили скорость потока, мы увидели возникновение нестабильности, которая вызвала образование множества вихрей, которые в конечном итоге слились в один большой спиральный вихрь."
«Наше моделирование объяснило необычные явления, которые наблюдала группа Чанга, и точно показало, как определенные параметры, такие как скорость потока, влияют на образование вихрей», – добавил доктор наук, научный сотрудник OIST.
Дэниел Карлсон.
Формирование вихря является ключом к быстрой и эффективной доставке наноматериалов в клетки.
Когда каждая ячейка проходит в центр перекрестного соединения, сила спирального вихря деформирует ячейку, вызывая образование крошечных наноотверстий в мембране. Затем наноматериалы в жидкости могут перемещаться в клетку через эти наноотверстия.
Затем клетки отводятся от перекрестного соединения и сталкиваются со стенками Т-образных переходов, что вызывает дальнейшую деформацию клеточной мембраны и увеличивает эффективность доставки. После деформации наноотверстия в мембране снова закрываются, и мембрана ремонтируется.
Развитие исследований в области клеточной биологии
Используя спиральную гидропорацию, команда из Корейского университета смогла доставить в клетки определенные наноматериалы, включая РНК и наночастицы золота.
По словам Чанга, более эффективная и недорогая доставка ДНК, РНК и белков, таких как CRISPR-Cas9, в большое количество клеток может помочь в исследованиях в таких областях, как генная терапия, иммунотерапия рака и стволовые клетки.
Наночастицы золота также могут использоваться для доставки лекарств, визуализации молекул и органелл внутри клеток, а также для диагностики заболеваний.
«В целом, спиральная гидропорация имеет широкий спектр применений, и интерес к чипу очень высок», – сказал профессор Чанг. "Исследователям нужны более эффективные, простые, быстрые и недорогие средства внутриклеточной доставки – наш чип – отличное новое средство для достижения этой цели."