让工程细胞随着超声波跳舞

假设您需要将单个单元格从一个地方移动到另一个地方。你会怎么做?也许一些特殊的镊子?一把非常小的铲子?事实上，操纵单个细胞是一项艰巨的任务。已经在所谓的光学镊子上做了一些工作，这种镊子可以用光束推动细胞，但是虽然它们擅长移动单​​个细胞，但它们并不适合操纵更多的细胞。

加州理工学院进行的新研究创造了一种替代方案：由基因工程细胞产生的充气蛋白质，可以通过超声波将其与包含它们的细胞一起推来推去。一篇描述这项工作的论文出现在期刊上。

这项工作建立在以前在化学工程教授MikhailShapiro实验室进行的工作的基础上这项工作建立在霍华德休斯医学研究所医学工程教授兼研究员MikhailShapiro实验室之前进行的工作的基础上。

夏皮罗多年来一直致力于将源自细菌的气囊作为声学标签。这些囊泡是充满空气的蛋白质胶囊，为某些水生细菌提供浮力。但它们还有另一个有用的特性：由于内部充满空气，它们在超声图像中表现得非常强烈。夏皮罗对这种特性的发现促使他的实验室开发了气囊作为遗传标记，用于追踪单个细菌细胞的位置，并用于观察体内深处哺乳动物细胞的基因表达活动。

现在，夏皮罗和他的同事们已经证明，这些囊泡可以在超声波的影响下将细胞推拉到特定位置。这种现象与空气中的超声波如何用于悬浮和/或移动小而轻的物体非常相似。这是因为声波会产生作用于附近物体的压力区。物体或材料的物理特性决定了它是被吸引到高压区还是被高压区排斥。正常细胞被推离高压区域，但含有气囊的细胞被它们吸引。

“我们之前使用这些囊泡进行成像，这次我们已经证明我们实际上可以将它们用作致动器，因此我们可以使用超声波对这些物体施加力，”DiWu(MS'16，博士)说。'21)，夏皮罗实验室的研究科学家，也是该研究的主要作者。“这使我们能够做的是使用超声波在太空中移动细胞，并且能够以非常有选择性的方式进行。”

Shapiro和Wu说，您可能希望能够四处移动细胞有几个原因。一方面，组织工程——为研究或医学目的创造人造组织——需要特定类型的细胞以复杂的模式排列。例如，人造肌肉可能需要多层肌肉细胞、产生肌腱的细胞和神经细胞。

您可能想要四处移动细胞的另一种情况是基于细胞的治疗，这是一个将具有理想特性的细胞引入体内的医学领域。

“你将工程细胞引入体内，它们会到处寻找目标，”Di说。“但有了这项技术，我们可能有办法引导它们进入人体所需的位置。”

作为演示，该团队展示了含有气囊的细胞可以被迫聚集成一个小球，或排列成细带，或被推到容器的边缘。当他们改变超声波模式时，细胞“跳舞”以占据新的位置。他们还开发了一种超声波模式，将细胞推入凝胶中的字母“R”形状，凝固后将其保持在该形状。他们称由此产生的图形为“声学全息图”。

超声波设备将气泡排列成字母R的形状。图片来源：LanceHayashida/加州理工学院

吴说，他们的研究有可能产生直接影响的一个领域是细胞分选，这是各种生物和医学研究所必需的过程。

“现在人们对细胞进行分类的一种常见方法是对它们进行工程改造以表达荧光蛋白，然后使用荧光激活细胞分选仪(FACS)，”他说。“这是一台价值30万美元的设备，体积庞大，通常放在生物安全柜中，而且细胞分选速度不是很快。”

“相比之下，声流分选可以用一个很小的芯片来完成，价格可能是10美元。造成这种差异的原因是在荧光分选中，你必须单独测量细胞的基因表达，然后移动它们。这是一次完成一个细胞。通过气囊表达，细胞的遗传学与施加到细胞上的力直接相关。如果它们表达气囊，它们将经历不同的力，所以我们不需要单独检查如果他们表达气囊然后移动它们;我们可以一次移动它们。这大大简化了事情。”

描述该研究的论文题为“用于细胞遗传选择性声学操纵的生物分子致动器”，发表在2月22日的《科学进展》杂志上。