Акустическая «беговая дорожка» для микропловцов позволяет детальнее изучить их поведение

Исследователи из Инженерной школы Маккелви при Университете Вашингтона в Сент-Луисе и Массачусетского технологического института разработали акустический микрофлюидный метод, который открывает новые возможности для экспериментов с плавающими клетками и микроорганизмами.

«Клетки, которые изучают наши коллеги, — мощные пловцы для своего размера, поэтому силы, необходимые для их удержания, значительны», — пояснил старший автор статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, Дж. Марк Мичем. — «В наших устройствах ультразвуковые волны, подобные тем, что используются для визуализации, способны удерживать тело клетки на месте, не влияя на способ её плавания».

В исследовании использовались одноклеточные водоросли Chlamydomonas reinhardtii — модельный организм для изучения движения ресничек, крошечных волосовидных структур, которые перемещают жидкости и двигают клетки.

Новый подход был мотивирован предыдущими работами в лабораториях Филипа Бейли, изучающего движение ресничек, и Сьюзан Датчер, эксперта по их структуре и функции. Метод и устройства разработал Мичем вместе с первым автором Миньяном Цуй.

Клетки C. reinhardtii микроскопические, но они плавают со скоростью около 10 длин своего тела в секунду. Их реснички совершают около 60–70 взмахов в секунду.

«Поле зрения при разрешении, необходимом для наблюдения за движением ресничек, таково, что клетки очень быстро уплывают из него», — отметил Мичем. — «Изучать их плавательное поведение без какого-либо удержания клеток сложно».

Цуй решил проблему удержания, используя комбинацию двух типов акустических волн:

• Поверхностная акустическая волна создаёт колебания, распространяющиеся по поверхности материала.
• Объёмная акустическая волна генерируется поверхностными колебаниями в жидкости, где находятся клетки.

«Клетки удерживаются акустическими волнами в жидкости в так называемых узлах или областях низкого давления», — сказал Мичем. — «Мы хотели использовать поверхностные акустические волны, потому что они позволяют получать более высокие частоты, что даёт меньшие ловушки с меньшим расстоянием между ними и, следовательно, лучший контроль над клетками».

Однако обычные устройства на поверхностных акустических волнах менее эффективны, чем их аналоги на объёмных волнах, а эффективность необходима для создания достаточной силы удержания, чтобы не перегреть устройство.

«Любая неэффективность приводит к нагреву, который убивает клетки», — пояснил Мичем. — «Миньян разработал структуру устройства, в которой используется стеклянный микрофлюидный канал, способный преобразовывать поверхностные акустические волны в объёмные для повышения эффективности. Использование стекла также позволяет применять микроскопию с масляной иммерсией высокого разрешения».

«Решив эти практические задачи, мы смогли сосредоточиться на других преимуществах акустофлюидного захвата», — сказал Мичем. — «Ключевым требованием для наших коллег было удерживать клетки, не ограничивая их вращение. Акустический захват позволяет это, поскольку не контактирует с клетками напрямую».

Ранее для изучения плавающих клеток C. reinhardtii исследователи использовали всасывающую пипетку, которая не позволяла телу клетки двигаться в ответ на биение ресничек, особенно ограничивая её вращение — естественное движение при плавании.

«Представьте это как беговую дорожку для этих микропловцов. Акустическое поле обеспечивает способ удержания клетки на месте, не влияя на движение ресничек или плавание в трёхмерном пространстве», — сказал Мичем.

Устройство также имеет дополнительные преимущества для экспериментальной работы:

• Можно создавать 25–30 ловушек одновременно и проводить анализ захваченных клеток параллельно.
• Это невозможно сделать с микропипеткой.

«Результаты Миньяна показывают, что метод не влияет на плавание, но большое значение может иметь гибкость подхода для захвата любых плавающих клеток или микроорганизмов этого размерного диапазона», — сказал Филип Бейли. — «Теперь можно проводить ряд новых экспериментов, используя акустический захват для создания контролируемой среды».