La membrana que rodea a las células actúa como una barrera selectiva, acunando y protegiendo el contenido de la célula del entorno externo y eligiendo qué sustancias permitir que entren o salgan de la célula. Por lo tanto, los científicos han luchado para diseñar métodos eficientes de entrega de nanomateriales, como el ADN, proteínas y fármacos, en células.

Ahora, investigadores de la Universidad de Corea, en colaboración con la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), han desarrollado un método de administración rápido y eficiente que utiliza el poder de un vórtice de fluido diminuto para deformar las membranas celulares. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista, ACS Nano .

"Los métodos actuales adolecen de numerosas limitaciones, incluidos problemas de escalabilidad, costo, baja eficacia y citotoxicidad, ", dijo el profesor Aram Chung de la Escuela de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Corea, quien dirigió el estudio. "Nuestro objetivo era utilizar microfluidos, donde explotamos el comportamiento de pequeñas corrientes de agua, para desarrollar una nueva y poderosa solución para la entrega intracelular ".

El nuevo dispositivo, un chip de microfluidos llamado 'hidroporador en espiral', puede administrar nanomateriales en alrededor de un millón de células por minuto. con hasta un 96% de eficiencia. Es más, todo el proceso se logra sin dañar irreversiblemente las células, con hasta un 94% de las células sobreviviendo al proceso.

"Los chips son realmente asequibles de fabricar y fáciles de usar, "dijo el profesor Chung." Simplemente bombea un fluido que contiene las células y los nanomateriales en dos extremos, y las células, que ahora contienen el nanomaterial, fluyen por los otros dos extremos. Todo el proceso toma solo un minuto ".

Siguiendo la corriente

Para crear el dispositivo, los científicos diseñaron los canales en el chip de microfluidos en una configuración específica, con un cruce en el centro del chip y dos uniones en T arriba y abajo.

Cuando los científicos de la Universidad de Corea estudiaron por primera vez cómo las diferentes geometrías de canales y tasas de flujo afectaban a las células, un escenario específico, un cruce en el que corrientes de fluido de flujo moderado chocaban desde direcciones opuestas, se destacó como peculiar.

"Vimos un comportamiento realmente interesante exhibido por las células, donde bailaron en el centro del canal transversal, "dijo el profesor Chung.

Al agregar un tinte fluorescente en una de las corrientes de fluido, los investigadores descubrieron que se había formado un vórtice en espiral.

"Queríamos comprender completamente la mecánica de fluidos que causa este efecto, y la Unidad de Micro / Bio / Nanofluidos dirigida por la profesora Amy Shen en OIST ya estaba trabajando en el problema, "Añadió el profesor Chung.

Por tanto, los dos grupos de científicos se unieron. Usando la supercomputadora OIST, la unidad OIST desarrolló y ejecutó simulaciones de cómo las corrientes de fluido opuestas interactuaban en la unión cruzada, a diferentes velocidades de flujo.

"Con un caudal bajo, Descubrimos que las dos corrientes de fluido que chocaban se separaban simétricamente y se alejaban de la unión transversal, como está documentado en la literatura, "dijo el científico de OIST, Dr. Simon Haward. "Sin embargo, a medida que aumentamos el caudal, vimos surgir inestabilidades que provocaron la formación de múltiples vórtices, eventualmente fusionándose en un gran vórtice en espiral ".

"Nuestra simulación explicó los fenómenos inusuales que el grupo de Chung había observado y mostró exactamente cómo ciertos parámetros, como el caudal, formación de vórtice afectada, "añadió el investigador postdoctoral de la OIST, Dr. Daniel Carlson.

La formación del vórtice es clave para el suministro rápido y eficaz de nanomateriales a las células. A medida que cada celda pasa al centro de la unión transversal, la fuerza del vórtice en espiral deforma la célula, provocando la aparición de diminutos nanoagujeros en la membrana. Los nanomateriales en el fluido pueden luego moverse hacia la célula a través de estos nanoagujeros. Luego, las células se alejan de la unión cruzada y chocan con las paredes de las uniones en T, lo que provoca una mayor deformación de la membrana celular y aumenta la eficiencia del suministro. Después de la deformación, los nanoagujeros de la membrana se vuelven a sellar y la membrana se repara.

Impulsar la investigación en biología celular

Usando hidroporación en espiral, el equipo de la Universidad de Corea pudo introducir nanomateriales específicos en las células, incluyendo nanopartículas de oro y ARN.

Entrega de ADN más eficiente y de bajo costo, El ARN y las proteínas como CRISPR-Cas9 en un gran número de células podrían ayudar en la investigación de temas como la terapia génica, inmunoterapia contra el cáncer y células madre, Dijo Chung.

Las nanopartículas de oro también se pueden usar para administrar medicamentos, imágenes de moléculas y orgánulos dentro de las células, y para diagnosticar enfermedades.

"En general, hay una amplia gama de aplicaciones para la hidroporación en espiral y el interés en el chip ha sido muy alto, ", dijo el profesor Chung." Los investigadores necesitan un método más eficiente, sencillo, Medios de administración intracelular rápidos y de bajo costo:nuestro chip es una gran vía nueva para lograr ese objetivo ".