Al tratar las células vivas como pequeñas esponjas absorbentes, los investigadores han desarrollado una forma potencialmente nueva de introducir moléculas y genes terapéuticos en las células humanas.
Los investigadores han desarrollado una forma potencialmente nueva de introducir macromoléculas y genes terapéuticos en las células humanas. Se muestra Anna Liu, investigadora graduada de la National Science Foundation. (Crédito: Rob Felt, Georgia Tech)
La técnica primero comprime las células en un dispositivo microfluídico al hacerlas fluir rápidamente a través de una serie de pequeños "baches de velocidad" integrados en los microcanales, que comprimen pequeñas cantidades de líquido, conocido como citosol, desde el interior de las células. Las células luego se recuperan y se rellenan naturalmente, absorbiendo el fluido circundante y tirando de 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 célula VECT. Se cree que es el primer proceso de compresión para provocar un intercambio de volumen de células altamente transitorio al utilizar la capacidad de las células para perder y recuperar rápidamente su citosol. La investigación, que fue apoyada por la National Science Foundation, National Institutes of Health y la Fundación Wallace H. Coulter, fue reportada en línea por la revista Materials Today.
"Estamos aprovechando una propiedad mecánica intrínseca de las células", dijo Anna Liu, Ph.D. candidato en el laboratorio del Profesor Asociado Todd Sulchek en la Escuela Woodruff de Ingeniería Mecánica de Georgia Tech. "Cuando las células se comprimen repentinamente durante un período de microsegundos, pierden parte de su volumen. Las células intercambian volumen con el fluido que las rodea, y eso es lo que les permite extraer de forma convectiva las macromoléculas de su entorno ".
La imagen muestra un chip microfluídico al que se ha agregado colorante para mostrar los canales. Al tratar las células vivas como pequeñas esponjas, los investigadores han desarrollado una forma potencialmente nueva de introducir macromoléculas y genes terapéuticos en las células humanas. (Crédito: Rob Felt, Georgia Tech)
La técnica podría ser útil para la transfección celular, en la que un gen diana se introduce en las células humanas para provocar un comportamiento que las células normalmente no presentarían, como la expresión de una proteína. Existen varias técnicas existentes para introducir material genético en las células vivas, incluido el uso de virus diseñados especialmente, pero las técnicas existentes tienen desventajas importantes.
Una amplia gama de aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico podría beneficiarse con la introducción de moléculas grandes, que también podrían usarse como marcadores para fines de control de calidad en la fabricación de células. "Hay muchas razones para querer entregar moléculas al interior de las células, pero no hay muchas maneras buenas de hacerlo", dijo Liu, que es becaria de investigación graduada de la Fundación Nacional de Ciencia.
La imagen de primer plano muestra "badenes de velocidad" en un dispositivo microfluídico que comprime las células para reducir temporalmente su volumen. (Crédito: Rob Felt, Georgia Tech)
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 microfluídicos, la compresión forzaba a las células más blandas a moverse en una dirección, mientras que las células más rígidas tomaban un camino diferente. Aunque la investigación se centró en la detección del cáncer, también produjo una nueva comprensión de lo que sucede con las células cuando se comprimen rápidamente.
"Nuestra técnica no depende en absoluto de las propiedades de las macromoléculas para hacer el trabajo", explicó Liu. "La actividad es causada por la afluencia convectiva de volumen de fluido de vuelta a las células. Las moléculas en el fluido están listas para el viaje, lo que nos permite transferir moléculas sin importar su tamaño o propiedades ".
La velocidad de compresión es crítica. Si las células se comprimen durante períodos de tiempo más largos, pueden deformarse gradualmente y mantener su volumen. El proceso completo de compresión y relajación de la célula de VECT toma milisegundos, causando 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.
La imagen tomada de un video muestra las células moviéndose a través de las barreras de "bache de velocidad" en un dispositivo microfluídico. Las colisiones resultantes comprimen el fluido de las celdas, reduciendo su volumen. Cuando las células se vuelven a llenar, pueden absorber macromoléculas terapéuticas y genes de su entorno. Crédito de la imagen: Georgia Tech
Los investigadores han estudiado una amplia gama de tipos de células humanas, desde cáncer de próstata hasta 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 la célula VECT para mover partículas de 100 nanómetros a las células.
Más allá de la transferencia de 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 un virus puede transportar", dijo Alexander Alexeev, profesor asociado en la Escuela Woodruff de Ingeniería Mecánica y colaborador en 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 de etiquetado en las células, la técnica de células VECT también podría proporcionar una técnica de control de calidad confiable y reproducible para procesos de fabricación que generan células terapéuticas, señaló Sulchek.
En el trabajo futuro, los investigadores planean desarrollar una mejor comprensión de cómo funciona la técnica, estudiar los parámetros del proceso y observar las células durante largos períodos de tiempo para asegurarse de que no haya efectos nocivos.
"Todavía hay una comprensión básica de la ciencia que debemos desarrollar", dijo Sulchek. "Nos gustaría caracterizar qué deja las células y bajo qué condiciones se van. Queremos saber qué tan rápido regresan las cosas, cuáles son las limitaciones de ese retorno, y a dónde van en la celda cuando regresan ".
Fuente: Georgia Tech
