Управление током в чашке Петри
Электричество играет ключевую роль в исследованиях клеток, но практические проблемы, связанные с формой лабораторной посуды для культивирования, затрудняли эту работу. Классическая чашка Петри имеет круглую форму, тогда как самый простой способ создания однородного электрического поля основан на прямоугольной геометрии. Это несоответствие не позволяло ученым полностью использовать потенциал посуды, так как значительная часть круглого дна оставалась вне поля, генерируемого вписанным в чашку прямоугольником.
Проект аспиранта Хси-Фу Цая под руководством профессора Эми Шен из OIST привел к подаче патентной заявки и публикации в Scientific Reports, радикально меняя ситуацию.
Как клетки реагируют на ток
"Клетки реагируют на электрический ток, — объяснил Цай. — Одни мигрируют к положительному полюсу, другие — к отрицательному, а некоторые выстраиваются в определенной ориентации к полю". Эти явления играют важную роль в ключевых биомедицинских процессах, таких как заживление ран, нейрогенез и эмбриогенез.
Ученые предпочитают работать с однородным полем в контролируемых условиях. В прямоугольнике, где электроды подключены к противоположным сторонам, пути тока имеют одинаковую длину, что и создает равномерное поле. В круге же пути тока разной длины, и поле неоднородно.
Простое и элегантное решение
Цай и коллеги нашли революционное решение: они создали пластиковую вставку, которая модифицирует пути тока в круге, делая каждый путь одинаковой длины. Вставка достигает этого, заставляя более короткие пути проходить внутри самого устройства, тем самым удлиняя их до соответствия более длинным путям.
Вставка имеет четыре отверстия сверху: два для подачи питательных веществ клеткам и два для подключения электричества. Процедура проста:
- Клетки помещают на дно чашки Петри.
- Вставку помещают в посуду и герметизируют.
- Добавляют свежую питательную среду и подают электрический ток.
Дизайн вставки основан на фундаментальных принципах электричества. После определения оптимальной формы устройство можно напрямую изготовить на 3D-принтере. Благодаря этому процессу вставка масштабируема и может быть адаптирована под большинство распространенных лабораторных емкостей любого размера. Ученые OIST уже успешно протестировали устройство на мышиных эмбриональных фибробластах.
"Одно из преимуществ в том, что с этим устройством исследователи могут использовать почти всю поверхность чашки, — сказала профессор Шен. — Это дает большее количество клеток и, следовательно, больше образцов для дальнейших экспериментов".
Применения и потенциал
Устройство имеет несколько применений в клеточных исследованиях. "В этот раз мы специально ориентировались на применение в тканевой инженерии, — пояснил Цай. — Многие исследователи пытаются создать функциональные ткани тела в лаборатории, например, мышцы, кожу, печень. Их можно вырастить, но часто они не обладают функцией, которую мы видим в организме. Потому что они еще не созрели: им нужна "тренировка", как мышцам — упражнения. Электрическое поле — один из методов тренировки, который ученые пытаются применять к клеткам". Проект уже вызвал интерес со стороны индустрии тканевой инженерии.
Примечательно, что Цай разработал этот проект во время трехмесячной лабораторной ротации, которая является частью стандартной учебной программы OIST. Эта модель, возможно, уникальная в системе высшего образования, доказывает свою эффективность в стимулировании инноваций.