La membrana che circonda le cellule agisce come una barriera selettiva, cullare e proteggere il contenuto della cellula dall'ambiente esterno e scegliere quali sostanze far entrare o uscire dalla cellula. Gli scienziati hanno quindi lottato per progettare metodi efficienti per fornire nanomateriali, come il DNA, proteine ​​e farmaci, nelle cellule.

Ora, ricercatori della Korea University, in collaborazione con l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), hanno sviluppato un metodo di somministrazione rapido ed efficiente che utilizza la potenza di un minuscolo vortice fluido per deformare le membrane cellulari. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista, ACS Nano .

"I metodi attuali soffrono di numerose limitazioni, inclusi problemi di scalabilità, costo, bassa efficienza e citotossicità, " ha affermato il professor Aram Chung della School of Biomedical Engineering presso la Korea University, che ha condotto lo studio. "Il nostro obiettivo era quello di utilizzare la microfluidica, dove abbiamo sfruttato il comportamento di minuscole correnti d'acqua, per sviluppare una nuova potente soluzione per la consegna intracellulare."

Il nuovo dispositivo, un chip microfluidico chiamato "idroporatore a spirale", può fornire nanomateriali in circa un milione di cellule ogni minuto, con un'efficienza fino al 96%. Inoltre, l'intero processo è realizzato senza danneggiare irreversibilmente le cellule, con fino al 94% delle cellule che sopravvivono al processo.

"I chip sono davvero convenienti da realizzare e semplici da usare, " ha detto il professor Chung. "Basta pompare un fluido contenente le cellule e i nanomateriali in due estremità, e le cellule, che ora contengono il nanomateriale, fuoriescono dalle altre due estremità. L'intero processo richiede solo un minuto".

Andare con il flusso

Per creare il dispositivo, gli scienziati hanno progettato i canali nel chip microfluidico in una configurazione specifica, con una giunzione a croce al centro del chip e due giunzioni a T sopra e sotto.

Quando gli scienziati della Korea University hanno studiato per la prima volta in che modo le diverse geometrie dei canali e le velocità di flusso influenzano le cellule, uno scenario specifico - una giunzione incrociata in cui flussi di fluido moderatamente fluenti si scontravano da direzioni opposte - si è distinto come peculiare.

"Abbiamo visto un comportamento davvero interessante mostrato dalle cellule, dove danzavano intorno al centro del canale trasversale, ", ha detto il professor Chung.

Aggiungendo un colorante fluorescente in uno dei flussi fluidi, i ricercatori hanno scoperto che si era formato un vortice a spirale.

"Volevamo comprendere appieno la meccanica dei fluidi che causa questo effetto, e l'Unità Micro/Bio/Nanofluidi guidata dalla professoressa Amy Shen all'OIST stava già lavorando al problema, " ha aggiunto il professor Chung.

I due gruppi di scienziati si sono quindi uniti. Utilizzando il supercomputer OIST, l'unità OIST ha sviluppato ed eseguito simulazioni di come i flussi di fluidi opposti hanno interagito alla giunzione incrociata, a diverse velocità di flusso.

"A bassa portata, abbiamo scoperto che i due flussi di fluido in conflitto si separavano simmetricamente e scorrevano lontano dalla giunzione incrociata, come documentato in letteratura, ", ha detto lo scienziato dell'OIST, Il dottor Simon Haward. "Però, quando abbiamo aumentato la portata, abbiamo visto sorgere instabilità che hanno causato la formazione di più vortici, alla fine fondendosi in un grande vortice a spirale."

"La nostra simulazione ha spiegato i fenomeni insoliti che il gruppo di Chung aveva osservato e ha mostrato esattamente come determinati parametri, come la portata, formazione di vortici interessati, " ha aggiunto il ricercatore post-dottorato dell'OIST, Il dottor Daniel Carlson.

La formazione del vortice è fondamentale per il rilascio rapido ed efficace di nanomateriali nelle cellule. Quando ogni cella passa nel centro della giunzione incrociata, la forza del vortice a spirale deforma la cellula, provocando la formazione di minuscoli nanofori nella membrana. I nanomateriali nel fluido sono quindi in grado di spostarsi nella cellula attraverso questi nanofori. Le cellule vengono quindi spazzate via dalla giunzione incrociata e si scontrano con le pareti delle giunzioni a T, che provoca un'ulteriore deformazione della membrana cellulare e aumenta l'efficienza della consegna. Dopo la deformazione, i nanofori nella membrana si richiudono e la membrana viene riparata.

Promuovere la ricerca sulla biologia cellulare

Utilizzando l'idroporazione a spirale, il team della Korea University è stato in grado di fornire nanomateriali specifici nelle cellule, tra cui RNA e nanoparticelle d'oro.

Consegna più efficiente e a basso costo del DNA, L'RNA e le proteine ​​come CRISPR-Cas9 in un gran numero di cellule potrebbero aiutare la ricerca su argomenti come la terapia genica, immunoterapia del cancro e cellule staminali, ha detto Chung.

Le nanoparticelle d'oro possono essere utilizzate anche per la somministrazione di farmaci, molecole di imaging e organelli all'interno delle cellule, e per la diagnosi delle malattie.

"Globale, ci sono una vasta gamma di applicazioni per l'idroporazione a spirale e l'interesse per il chip è stato molto alto, " ha detto il professor Chung. "I ricercatori hanno bisogno di un più efficiente, semplice, mezzi rapidi ea basso costo di consegna intracellulare:il nostro chip è una nuova grande strada per raggiungere questo obiettivo".