超声波用于测量纤毛细胞的运动

圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)的研究人员多年来一直在研究纤毛,以确定它们的功能障碍是如何导致不育和其他与纤毛相关疾病相关的疾病的。现在,科学家们将能够通过一种新方法更快地进行这些研究,这种新方法利用声波暂时捕获由纤毛推动的细胞,然后释放它们,在它们游走时测量它们的运动。

由机械工程与工程学院助理教授j·马克·米查姆(J. Mark Meacham)领导的跨学科团队McKelvey工程学院的材料科学教授和他实验室的学生们使用了声学微流体方法,在一个充满液体的小房间里使用超声波驻波来收集单细胞的绿藻细胞群,这是一种研究人类纤毛的模型生物。

所谓的声阱利用了细胞体的物质特性来保持它们的位置而不破坏它们。通过首先收集细胞,研究小组可以在几分钟内有效地分析数百个细胞。研究结果发表在2019年6月12日出版的《软物质》杂志的内封底上。

米查姆

米查姆说:“把它想象成一个由超声波场制造的小笼子。”“这些细胞试图找到逃跑的方法,但被构成笼壁的海浪推了回去。当墙被拆除后,它们就可以自由奔跑了。”

纤毛是排列在我们的肺、鼻子、大脑和生殖系统的细胞中微小的毛发状结构。它们被设计用来清除液体和微生物以保持人们的健康。然而,当它们出现故障时,可能会导致不孕、慢性中耳感染、脑积水和其他情况。

Susan Dutcher是圣路易斯华盛顿大学医学院的遗传学和细胞生物学及生理学教授,也是这篇论文的作者之一。她与C. reinhardtii及其数百种基因变体(或突变体)合作,研究纤毛行为和功能障碍。米查姆说,用目前手工追踪单个细胞的方法分析如此多的变异,将需要很长时间。

Minji Kim

米查姆说:“对达彻博士来说,根据游泳效果对她的细胞进行快速分类,并选择最感兴趣的细胞进行更费力、乏味和详细的分析,这很有用。”“这就是这种基于种群的方法的真正帮助之处,它允许我们在短时间内分析大量给定的突变体。”

在这项研究中,研究小组使用了来自达彻实验室的三种莱茵哈氏细胞的基因变体作为模型。

Meacham和论文第一作者、博士生Minji Kim共同开发了微流体芯片,该芯片足够小,可以将两个微流体芯片安装在1×3英寸的玻片上。在打开超声波之前,细胞通过连接到设备中心一个圆形腔室的进、出口通道进入和排出,这个腔室就像一个大的、开着的细胞握笔。Kim和Meacham将这些细胞插入设备的液体中,然后通过压电换能器激活超声波。超声波反射到腔室壁上,在圆形腔室内形成压力井,将细胞困在腔室中心形成一组。

在对细胞成像后,研究人员关闭超声波,有效地打开笼门,让细胞游走。

米查姆说:“这种声学陷阱使我们能够进行这种有趣的分析,这是我们无法用其他任何方法做到的。”“我们可以捕获并释放一个细胞群,对其进行分析,加载下一个细胞群,捕获、释放、分析并加载下一个细胞群,每个样本只需几十秒到一分钟的时间,就可以得到不同细胞类型游泳能力的分级测量结果。”

Meacham说,对扩散细胞的分析很容易自动化,因为游泳是从一个单一的位置开始的。单元格在释放单元格的连续图像中显示为黑色像素。细胞形状的变化与游泳速度有关。

“我们观察它们游泳一到三秒钟,一旦我们获得了这些图像,分析它们的过程就会自动进行,”Kim说。“我们可以用一种自动化的方式从大约50个细胞中获得运动测量,比跟踪单个细胞的速度快得多。”

米查姆说,最终,研究小组试图为研究人员提供一种工具,可以根据细胞的运动能力对细胞进行分类,无论是对C. reinhardtii突变体进行分类,还是对精子细胞的运动能力进行评估。


Kim M, Huff E, Bottier M, Dutcher S, Bayly P, Meacham, JM。用于快速评估细胞活力的声学捕集与释放。软物质,日期。DOI: 10.1039 / c9sm00184k。
这项研究的经费由国家科学基金会(CMMI-1633971)提供。
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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2019/06/ultrasound-used-to-measure-movement-of-ciliated-cells/

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