La cinta de correr para micronadadores permite observar más de cerca el comportamiento

Un equipo de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis y el Instituto de Tecnología de Massachusetts ha creado un método microfluídico acústico que ofrece nuevas oportunidades para realizar experimentos con células nadadoras y microorganismos.

Investigadores de la Universidad de Washington crearon un método microfluídico acústico que ofrece nuevas oportunidades para experimentar con células y microorganismos nadadores. Esta imagen muestra el atrapamiento y la liberación acústicos (izquierda) y las células atrapadas con forma de onda de cilios síncrona (arriba a la derecha) y asíncrona (abajo a la derecha). Crédito de la imagen: laboratorio Meacham/Universidad de Washington

“Las células que estudian nuestros colaboradores son poderosas nadadoras para su tamaño, por lo que las fuerzas necesarias para atraparlas son sustanciales”, dijo. J. Mark Meacham, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Escuela de Ingeniería McKelvey y autor principal del artículo, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences. “En nuestros dispositivos, las ondas ultrasónicas como las que se usan para obtener imágenes pueden mantener el cuerpo de una célula en su lugar sin afectar la forma en que nada”.

Las células utilizadas en la investigación fueron el alga unicelular Chlamydomonas reinhardtiiun organismo modelo utilizado para estudiar el movimiento de los cilios, diminutas estructuras parecidas a pelos que mueven fluidos e impulsan células.

El nuevo enfoque fue motivado por trabajos anteriores en los laboratorios de Felipe Bayly, el Profesor Distinguido Lee Hunter y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales, que investiga el movimiento de los cilios, y susan holandés, profesor de genética en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, experto en estructura y función de los cilios, ambos coautores del artículo. Meacham desarrolló el método y los dispositivos con el primer autor. Mingyang Cuiquien obtuvo una maestría y un doctorado en ingeniería mecánica en McKelvey Engineering en 2017 y 2021, respectivamente, y ahora es investigador posdoctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts.

C. reinhardtii Las células son microscópicas, y sus cilios son aún más pequeños, pero nadan alrededor de 10 longitudes corporales por segundo. Sus cilios también laten entre 60 y 70 veces por segundo.

“El campo de visión en la resolución necesaria para ver el movimiento de los cilios es tal que las células nadan y se alejan de donde estás mirando muy rápidamente”, dijo Meacham. «Es difícil estudiar su comportamiento de natación sin atrapar las células de alguna manera».

Cui superó el problema de las trampas mediante el uso de una combinación de dos tipos de ondas acústicas. Una onda acústica superficial crea vibraciones que viajan a lo largo de la superficie de un material, y una onda acústica masiva es generada por las vibraciones superficiales en el fluido donde se ubican las celdas.

“Las células son retenidas por ondas acústicas en el fluido en lo que se llama nodos o regiones de baja presión”, dijo Meacham. «Queríamos usar ondas acústicas de superficie porque permiten frecuencias más altas que generan trampas más pequeñas con menos distancia entre ellas, y eso brinda un mejor control sobre las células que intenta manipular».

Desafortunadamente, los dispositivos de ondas acústicas superficiales convencionales no son tan eficientes como sus contrapartes de ondas acústicas a granel, y se necesita eficiencia para generar suficiente fuerza de atrapamiento en estas celdas para sostenerlas sin que el dispositivo se sobrecaliente.

“Cualquier ineficiencia conduce al calentamiento, y eso mata las células”, dijo Meacham. “Mingyang ideó una estructura de dispositivo en la que se usa un microcanal de vidrio, que puede convertir las ondas acústicas superficiales en ondas acústicas masivas para mejorar la eficiencia. El uso de vidrio también nos permite usar microscopía de inmersión en aceite de alta resolución”.

“Habiendo resuelto estos desafíos prácticos, podríamos centrarnos en las otras ventajas de la captura acústica de fluidos”, dijo Meacham. “La necesidad clave de nuestros colaboradores era atrapar estas células sin restringir su rotación. El atrapamiento acústico lo permite porque no entra en contacto con las células directamente”.

Previamente, para estudiar estas actividades de natación C. reinhardtii células, los investigadores usaron una pipeta de succión para mantener la célula en su lugar mientras se tomaban imágenes de los cilios. Sin embargo, esto no permite que el cuerpo de la célula se mueva ni siquiera un poco en respuesta al latido de los cilios, lo que limita particularmente la rotación de la célula, que es el movimiento natural cuando nada.

“Piense en ello como una cinta rodante para estos micronadadores, y el campo acústico proporciona una forma de mantener la célula en su lugar sin afectar el movimiento de los cilios o nadar en el espacio tridimensional”, dijo Meacham.

El dispositivo también tiene beneficios adicionales para el trabajo experimental con micronadadores.

“Podemos crear de 25 a 30 trampas a la vez y hacer todo el análisis de las células atrapadas en paralelo”, dijo Meacham. “No se puede hacer eso con una micropipeta, no es físicamente posible. De esta manera, puede realizar mediciones rápidamente en una mayor cantidad de celdas”.

Bayly dijo que está entusiasmado con las implicaciones de este trabajo para comprender la motilidad celular.

«Los resultados de Mingyang sugieren que el método no afecta la natación de ninguna manera, pero el gran impacto puede estar en la flexibilidad del enfoque para atrapar cualquier célula o microorganismo nadador de este rango de tamaño», dijo Bayly. «Ahora puede realizar una serie de nuevos experimentos para abordar preguntas biológicas sin respuesta mediante el uso de trampas acústicas para proporcionar un entorno controlado para que se lleve a cabo ese experimento».

Fuente: Universidad de Washington en St. Louis