微型游泳者的跑步机可以更仔细地观察行为

来自圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院和麻省理工学院的一个团队创造了一种声学微流体方法，为用游动细胞和微生物进行实验提供了新的机会。

“我们的合作者研究的细胞就其大小而言是强大的游泳运动员，因此捕获它们所需的力量是巨大的，”麦凯维工程学院机械工程和材料科学副教授兼资深作者J.MarkMeacham说。该论文发表在美国国家科学院院刊上。“在我们的设备中，像那些用于成像的超声波能够将细胞的身体固定在适当的位置而不影响它的游泳方式。”

研究中使用的细胞是单细胞藻类莱茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)，这是一种用于研究纤毛运动的模式生物，纤毛是移动液体和推动细胞的微小毛发状结构。

研究纤毛运动的LeeHunter特聘教授兼机械工程与材料科学系主任PhilipBayly和华盛顿大学学院遗传学教授SusanDutcher过去在实验室的工作推动了这种新方法。Medicine，纤毛结构和功能方面的专家，都是该论文的共同作者。Meacham与第一作者MingyangCui共同开发了该方法和设备，MingyangCui分别于2017年和2021年在McKelveyEngineering获得机械工程硕士和博士学位，现在是麻省理工学院的博士后研究员。

C.reinhardtii细胞是微小的——它们的纤毛甚至更小——但它们每秒游动大约10个身体长度。他们的纤毛每秒也跳动大约60到70次。

“观察纤毛运动所需分辨率的视野使得细胞游离你正在看的地方非常快，”米查姆说。“如果不以某种方式捕获细胞，就很难研究它们的游泳行为。”

Cui通过结合使用两种类型的声波克服了捕获问题。表面声波产生沿材料表面传播的振动，体声波由细胞所在的流体中的表面振动产生。

“细胞被流体中的声波保持在所谓的节点或低压区域，”Meacham说。“我们想使用表面声波，因为它们允许更高的频率，从而产生更小的陷阱，它们之间的距离更小，并且可以更好地控制你试图操纵的细胞。”

不幸的是，传统的表面声波装置不如它们的体声波对应物有效，并且需要效率来在这些细胞上产生足够的捕获力以在装置过热的情况下保持它们。

“任何低效率都会导致发热，从而杀死细胞，”米查姆说。“明阳提出了一种使用玻璃微通道的器件结构，可以将表面声波转换为体声波以提高效率。使用玻璃还可以让我们使用高分辨率油浸显微镜。”

“解决了这些实际挑战后，我们可以专注于声流体捕获的其他优势，”Meacham说。“我们的合作者的关键需​​求是在不限制它们旋转的情况下捕获这些细胞。声波捕获能够做到这一点，因为它不直接接触细胞。”

以前，为了研究这些游动的莱茵衣藻细胞，研究人员在纤毛成像时使用吸管将细胞固定在适当的位置。然而，这不允许细胞体响应纤毛跳动而移动一点点，特别是限制细胞的旋转，这是它游泳时的自然运动。

“把它想象成这些微型游泳者的跑步机，声场提供了一种方法来将细胞固定在适当的位置，而不影响纤毛运动或在三维空间中游泳，”Meacham说。

该设备对于微型游泳者的实验工作还有其他好处。

“我们可以一次创建25到30个陷阱，并同时对捕获的细胞进行所有分析，”Meacham说。“你不能用微量移液器做到这一点——这在物理上是不可能的。这样你就可以对更多的细胞进行快速测量。”

Bayly说他对这项工作对理解细胞运动的意义感到兴奋。

“明阳的结果表明，该方法不会以任何方式影响游泳，但最大的影响可能在于捕获任何游泳细胞或这种大小范围的微生物的方法的灵活性，”Bayly说。“你现在可以进行一些新的实验，通过使用声学陷阱为实验提供受控环境来解决未解决的生物学问题。”