Trattando le cellule viventi come minuscole spugne assorbenti, i ricercatori hanno sviluppato un modo potenzialmente nuovo per introdurre molecole e geni terapeutici nelle cellule umane.

La tecnica prima comprime le cellule in un dispositivo microfluidico facendole scorrere rapidamente attraverso una serie di piccoli "dossi" incorporati nei microcanali, che comprime piccole quantità di fluido, noto come citosol, dall'interno delle cellule. Le cellule poi si riprendono e si ricaricano naturalmente, aspirando il fluido circostante e attirando macromolecole o geni mischiati in esso. Sebbene le collisioni improvvise possano ridurre il volume delle cellule fino al 30%, le cellule rimbalzano rapidamente e meno del cinque percento delle cellule subisce una perdita di vitalità.

La nuova tecnica è nota come scambio di volume cellulare per trasferimento convettivo, o cella VECT. Si ritiene che sia il primo processo di compressione a richiedere uno scambio di volume cellulare altamente transitorio utilizzando la capacità delle cellule di perdere e recuperare rapidamente il loro citosol. La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation, National Institutes of Health e Wallace H. Coulter Foundation, è stato riportato online il 17 aprile dalla rivista Materiali oggi .

"Stiamo sfruttando una proprietà meccanica intrinseca delle cellule, " disse Anna Liu, un dottorato di ricerca candidato nel laboratorio del Professore Associato Todd Sulchek presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "Quando le cellule vengono compresse improvvisamente per un periodo di microsecondi, perdono parte del loro volume. Le cellule stanno scambiando volume con il fluido che le circonda, ed è ciò che consente loro di assorbire convettivamente le macromolecole dal loro ambiente".

La tecnica potrebbe essere utile per la trasfezione cellulare, in cui un gene bersaglio viene introdotto nelle cellule umane per causare comportamenti che le cellule normalmente non esibirebbero, come l'espressione di una proteina. Esistono numerose tecniche esistenti per introdurre materiale genetico nelle cellule viventi, compreso l'uso di virus appositamente progettati, ma le tecniche esistenti presentano svantaggi significativi.

Un'ampia gamma di applicazioni terapeutiche e diagnostiche potrebbe trarre vantaggio dall'introduzione di grandi molecole, che potrebbero essere utilizzati anche come marcatori per scopi di controllo della qualità nella produzione di celle. "Ci sono molte ragioni per voler fornire molecole all'interno delle cellule, ma non ci sono molti buoni modi per farlo, " disse Liù, che è un ricercatore laureato della National Science Foundation.

I ricercatori hanno scoperto i fenomeni di compressione e variazione di volume mentre sviluppavano tecniche per l'ordinamento delle cellule in base alle loro proprietà meccaniche. Nei loro dispositivi microfluidici, la compressione ha costretto le cellule più morbide a muoversi in una direzione, mentre le cellule più rigide hanno preso una strada diversa. Sebbene la ricerca si sia concentrata sulla rilevazione del cancro, ha anche prodotto una nuova comprensione di ciò che accade alle cellule quando vengono compresse rapidamente.

"La nostra tecnica non dipende affatto dalle proprietà delle macromolecole per svolgere il lavoro, " Liu ha spiegato. "L'attività è tutta causata dall'afflusso convettivo del volume del fluido nelle cellule. Le molecole nel fluido sono solo per il viaggio, che ci consente di trasferire molecole indipendentemente dalle loro dimensioni o proprietà".

La velocità di compressione è critica. Se le cellule subiscono una compressione per lunghi periodi di tempo, possono deformarsi gradualmente e mantenere il loro volume. L'intero processo di compressione e rilassamento VECT cellulare richiede millisecondi, provocando la deformazione improvvisa delle cellule senza conservare il volume. Eppure il processo ha poco o nessun effetto sulla vitalità cellulare. "Abbiamo fatto una serie di test per vedere se la vitalità cellulare, la funzione e l'espressione genica sono alterate, e non abbiamo riscontrato differenze significative, " ha detto Liù.

I ricercatori hanno studiato una vasta gamma di tipi di cellule umane, dal cancro alla prostata alle cellule leucemiche, e anche le cellule T primarie. Hanno iniziato con la consegna di un polisaccaride, destrano, e seguito da proteine, RNA e plasmidi. Per esplorare i limiti della tecnica, hanno usato il VECT cellulare per spostare particelle da 100 nanometri nelle cellule.

Oltre a trasferire macromolecole terapeutiche e diagnostiche che sono ormai difficili da introdurre nelle cellule, la tecnica potrebbe consentire il rilascio di macromolecole più grandi alle cellule, aprendo nuove possibilità per l'ingegneria e le terapie cellulari.

"Cell VECT significa che non siamo più limitati dalle dimensioni del carico che un virus può trasportare, " ha detto Aleksandr Alekseev, professore associato presso la Woodruff School of Mechanical Engineering e collaboratore alla ricerca. "Questo potrebbe aprire un nuovo modo per i ricercatori di progettare cellule viventi utilizzando molecole più complesse. Le dimensioni del carico non sarebbero più un problema critico".

Introducendo molecole di etichettatura nelle cellule, la tecnica VECT cellulare potrebbe anche fornire una tecnica di controllo della qualità affidabile e riproducibile per i processi di produzione che generano cellule terapeutiche, Sulchek notò.

Nel lavoro futuro, i ricercatori intendono sviluppare una migliore comprensione di come funziona la tecnica, studia i parametri del processo e osserva le cellule per lunghi periodi di tempo per assicurarti che non ci siano effetti negativi.

"C'è ancora una comprensione scientifica di base che dobbiamo sviluppare, " Disse Sulchek. "Vorremmo caratterizzare ciò che lascia le cellule, e in quali condizioni se ne vanno. Vogliamo sapere quanto velocemente le cose ritornano, quali sono i limiti di quel ritorno, e dove vanno nella cella quando tornano."