Al tratar las células vivas como diminutas esponjas absorbentes, Los investigadores han desarrollado una forma potencialmente nueva de introducir moléculas y genes terapéuticos en células humanas.

La técnica primero comprime las células en un dispositivo de microfluidos haciéndolas fluir rápidamente a través de una serie de pequeños "topes de velocidad" integrados en los microcanales. que comprime pequeñas cantidades de líquido, conocido como citosol, del interior de las células. Las células luego se recuperan y se rellenan naturalmente, succionar el líquido circundante y extraer macromoléculas o genes mezclados en él. Aunque las colisiones abruptas pueden reducir el volumen celular hasta en un 30 por ciento, las células se recuperan rápidamente y menos del cinco por ciento de las células experimentan pérdida de viabilidad.

La nueva técnica se conoce como intercambio de volumen celular para transferencia convectiva, o celda VECT. Se cree que es el primer proceso de compresión que provoca un intercambio de volumen celular altamente transitorio al utilizar la capacidad de las células para perder y recuperar rápidamente su citosol. La investigación, que fue apoyado por la National Science Foundation, Institutos Nacionales de Salud y Fundación Wallace H. Coulter, fue informado en línea el 17 de abril por la revista Materiales hoy .

"Aprovechamos una propiedad mecánica intrínseca de las células, "dijo Anna Liu, un doctorado candidato en el laboratorio del profesor asociado Todd Sulchek en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "Cuando las células se comprimen repentinamente durante un período de microsegundos, pierden algo de su volumen. Las células intercambian volumen con el líquido que las rodea, y eso es lo que les permite absorber macromoléculas de su entorno de forma convectiva ".

La técnica podría ser útil para la transfección celular, en el que un gen objetivo se introduce en células humanas para provocar un comportamiento que las células normalmente no exhibirían, como la expresión de una proteína. Hay una serie de técnicas existentes para introducir material genético en células vivas, incluido el uso de virus especialmente diseñados, pero las técnicas existentes tienen importantes desventajas.

Una amplia gama de aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico podrían beneficiarse de la introducción de moléculas grandes, que también podrían utilizarse como marcadores con fines de control de calidad en la fabricación de células. "Hay muchas razones para querer llevar moléculas al interior de las células, pero no hay muchas buenas formas de hacerlo, "dijo Liu, quien es un becario de investigación de posgrado de la National Science Foundation.

Los investigadores descubrieron los fenómenos de compresión y cambio de volumen mientras desarrollaban técnicas para clasificar las células de acuerdo con sus propiedades mecánicas. En sus dispositivos de microfluidos, la compresión obligó a las células más blandas a moverse en una dirección, mientras que las células más rígidas tomaron un camino diferente. Aunque la investigación se centró en la detección del cáncer, también produjo una nueva comprensión de lo que les sucede a las células cuando se comprimen rápidamente.

"Nuestra técnica no depende en absoluto de las propiedades de las macromoléculas para hacer el trabajo, "Liu explicó." Toda la actividad es causada por el influjo convectivo de volumen de líquido de regreso a las células. Las moléculas en el fluido están a lo largo del viaje, lo que nos permite transferir moléculas sin importar su tamaño o propiedades ".

La velocidad de compresión es crítica. Si las células se someten a compresión durante períodos de tiempo más largos, pueden deformarse gradualmente y mantener su volumen. Todo el proceso de relajación y compresión VECT celular toma milisegundos, provocando que las células se deformen repentinamente sin conservar el volumen. Sin embargo, el proceso tiene poco o ningún efecto sobre la viabilidad celular. "Hemos realizado una variedad de pruebas para ver si la viabilidad celular, la función y la expresión génica están alteradas, y no hemos visto diferencias significativas, "Dijo Liu.

Los investigadores han estudiado una amplia gama de tipos de células humanas, desde el cáncer de próstata hasta las células leucémicas, e incluso células T primarias. Comenzaron con la entrega de un polisacárido, dextrano, y seguido con proteínas, ARN y plásmidos. Para explorar los límites de la técnica, utilizaron VECT celular para mover partículas de 100 nanómetros al interior de las células.

Más allá de transferir macromoléculas terapéuticas y de diagnóstico que ahora son difíciles de introducir en las células, la técnica podría permitir la entrega de macromoléculas más grandes a las células, abriendo nuevas posibilidades para la ingeniería celular y las terapias.

"Cell VECT significa que ya no estamos limitados por el tamaño de la carga que puede transportar un virus, "dijo Alexander Alexeev, profesor asociado de la Woodruff School of Mechanical Engineering y colaborador de la investigación. "Esto puede abrir una nueva forma para que los investigadores diseñen células vivas utilizando moléculas más complejas. El tamaño de la carga ya no sería un problema crítico".

Al introducir moléculas marcadoras en las células, la técnica celular VECT también podría proporcionar una técnica de control de calidad confiable y reproducible para los procesos de fabricación que generan células terapéuticas, Observó Sulchek.

En el trabajo futuro, los investigadores planean desarrollar una mejor comprensión de cómo funciona la técnica, Estudie los parámetros del proceso y observe las células durante largos períodos de tiempo para asegurarse de que no haya efectos nocivos.

"Todavía hay una comprensión científica básica que debemos desarrollar, ", Dijo Sulchek." Nos gustaría caracterizar lo que sale de las células, y en que condiciones se van. Queremos saber qué tan rápido vuelven las cosas, cuales son las limitaciones de ese regreso, y adónde van en la celda cuando regresan ".