I ricercatori della Washington University di St. Louis studiano da anni le ciglia per determinare come la loro disfunzione porti all'infertilità e ad altre condizioni associate alle malattie legate alle ciglia. Ora, saranno in grado di eseguire questi studi più rapidamente attraverso un nuovo metodo che utilizza le onde sonore per intrappolare momentaneamente le cellule spinte dalle ciglia, quindi li rilascia per misurare il loro movimento mentre nuotano via.

Un team interdisciplinare guidato da J. Mark Meacham, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering, e gli studenti nel suo laboratorio hanno utilizzato un approccio microfluidico acustico che utilizza onde stazionarie ultrasoniche all'interno di una piccola camera piena di liquido per raccogliere gruppi di cellule di alghe verdi unicellulari Chlamydomonas reinhardtii, un organismo modello per lo studio delle ciglia umane. La cosiddetta trappola acustica sfrutta le proprietà dei materiali dei corpi cellulari per tenerli in posizione senza danneggiarli. Raccogliendo prima le cellule, il team può analizzare in modo efficiente centinaia di cellule in pochi minuti. I risultati sono stati pubblicati e presentati nella quarta di copertina della rivista Materia morbida il 12 giugno, 2019, edizione a stampa.

"Pensalo come una minuscola gabbia creata dal campo degli ultrasuoni, " Ha detto Meacham. "Le cellule stanno cercando di trovare un modo per fuggire, ma sono respinte dalle onde che compongono le pareti della gabbia. Quando le pareti vengono rimosse, sono liberi di correre".

Le ciglia sono minuscole strutture simili a peli nelle cellule che rivestono i nostri polmoni, naso, cervello e sistema riproduttivo. Sono progettati per spazzare via fluidi e microbi per mantenere le persone sane. Quando non funzionano correttamente, infertilità, infezioni croniche dell'orecchio medio, l'acqua sul cervello e altre condizioni possono svilupparsi.

Susan Dutcher, professore di genetica e di biologia e fisiologia cellulare presso la Facoltà di Medicina e coautore del documento, lavora con C. reinhardtii e centinaia delle sue varianti genetiche, o mutanti, per studiare il comportamento e la disfunzione ciliare. Analizzando così tante varianti usando i metodi attuali, che tracciano manualmente le singole celle, ci vorrebbe molto tempo, disse Mecham.

"È utile per la dottoressa Dutcher classificare rapidamente le sue cellule in base all'efficacia del nuoto e scegliere quelle di maggior interesse per le più laboriose e noiose, analisi dettagliata, " Ha detto Meacham. "Questo è ciò in cui questo tipo di metodo basato sulla popolazione aiuta davvero, permettendoci di analizzare un gran numero di mutanti dati in breve tempo."

Per questo lavoro, il team ha utilizzato come modelli tre varianti genetiche delle cellule di C. reinhardtii del laboratorio di Dutcher.

Meacham e uno studente di dottorato, Minji Kim, primo autore sulla carta, sviluppato il chip microfluidico, che è abbastanza piccolo che due di loro si adattano a un vetrino da 1 per 3 pollici. Le cellule entravano ed uscivano attraverso canali di ingresso e uscita collegati a una camera circolare al centro del dispositivo, che è come un grande, penna di tenuta aperta per le cellule, prima che l'ecografia venga attivata. Kim e Meacham hanno inserito il fluido contenente le cellule nel dispositivo, quindi attivato l'ultrasuono tramite un trasduttore piezoelettrico. Le onde ultrasoniche si riflettono sulle pareti della camera per creare pozzi di pressione all'interno della camera circolare, che intrappolano le cellule in un gruppo al centro della camera.

Dopo l'imaging delle cellule, i ricercatori spengono gli ultrasuoni, aprendo efficacemente la porta della gabbia e permettendo alle cellule di nuotare via.

"Questa trappola acustica ci permette di fare questo interessante tipo di analisi che non potremmo fare in altro modo, " ha detto Meacham. "Possiamo intrappolare e rilasciare una popolazione cellulare, analizzalo, caricare la prossima popolazione, trappola, pubblicazione, analizzare, e caricare il successivo in poche decine di secondi a un minuto per campione per ottenere una misura graduata della capacità di nuoto per i diversi tipi di cellule".

L'analisi delle cellule di diffusione è facilmente automatizzata perché il nuoto inizia da un'unica posizione, disse Mecham. Le celle vengono visualizzate come pixel neri nelle immagini successive delle celle rilasciate. Il cambiamento di forma delle cellule è quindi correlato alla velocità di nuoto.

"Li osserviamo nuotare da uno a tre secondi, poi una volta che abbiamo quelle immagini, il processo di analisi delle stesse è automatizzato, " ha detto Kim. "Possiamo ottenere la misurazione della motilità da circa 50 cellule in modo automatizzato notevolmente più veloce rispetto al dover tenere traccia delle singole cellule".

In definitiva, il team cerca di fornire ai ricercatori uno strumento che classifica le cellule in base alla loro capacità di movimento, sia per catalogare i mutanti di C. reinhardtii o per valutare la motilità degli spermatozoi, disse Mecham.