Las exploraciones por ultrasonido, más conocidas para monitorear embarazos o obtener imágenes de órganos, también se pueden usar para estimular las células y dirigir la función celular. Un equipo de investigadores de Penn State ha desarrollado una forma más sencilla y eficaz de aprovechar la tecnología para aplicaciones biomédicas.
El equipo creó un chip transductor de ultrasonido transparente y biocompatible que se asemeja a un portaobjetos de vidrio de microscopio y se puede insertar en un microscopio óptico para una fácil visualización. Las células se pueden cultivar y estimular directamente sobre el chip transductor y los cambios resultantes de las células se pueden visualizar con técnicas de microscopía óptica.
Publicado en la revista Lab on a Chip de la Royal Society of Chemistry, el artículo fue seleccionado como artículo de portada para la edición de diciembre de 2021. Las aplicaciones futuras de esta tecnología podrían afectar la investigación de células madre, cáncer y neurociencia.
"En los experimentos de estimulación por ultrasonido convencionales, se coloca una placa de cultivo celular en un baño de agua y un transductor de ultrasonido voluminoso dirige las ondas de ultrasonido a las células a través del medio acuoso", dijo Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, investigador principal y asistente. profesor de ingeniería biomédica en Penn State. "Esta fue una configuración compleja que no proporcionó resultados reproducibles: los resultados que un grupo vio, otro no, incluso usando los mismos parámetros, porque hay varias cosas que podrían afectar la supervivencia y estimulación de las células mientras están en agua, así como cómo los visualizamos."
Kothapalli y sus colaboradores miniaturizaron la configuración de estimulación por ultrasonido creando una plataforma de transductor transparente hecha de un material piezoeléctrico de niobato de litio. Los materiales piezoeléctricos generan energía mecánica cuando se aplica voltaje eléctrico. La superficie biocompatible del chip permite cultivar las células directamente en el transductor y utilizarlas para experimentos de estimulación repetidos durante varias semanas.
Cuando se conecta a una fuente de alimentación, el transductor emite ondas de ultrasonido que pulsan las células y provocan la entrada y salida de iones.
Para probar la configuración, Kothapalli y su equipo cultivaron células de cáncer de vejiga en el chip. Luego insertaron indicadores de calcio fluorescentes en las células para permitir a los investigadores ver claramente los cambios dinámicos en la señalización del calcio celular bajo el microscopio durante la estimulación.
"Dado que las células se asientan directamente sobre la superficie transparente del transductor, podemos confirmar que todas las células se estimulan por igual al mismo tiempo utilizando un único estímulo ultrasónico, a diferencia de los enfoques convencionales", dijo Kothapalli, cocontratado por el Instituto del Cáncer de Penn State. , dicho. "Y a diferencia de procesos anteriores, podemos obtener imágenes de alta resolución de muchas células a la vez en un solo campo de visión, porque podemos ver las células desde una distancia cercana".
A través del estudio de células de cáncer de vejiga, los investigadores establecieron una prueba de concepto para la nueva configuración del transductor. Pero pueden ampliar estos hallazgos para utilizar la configuración del transductor en posibles aplicaciones futuras, según Kothapalli, como la diferenciación de células madre, la neuromodulación mecanosensible, la administración de fármacos y la apertura de la barrera hematoencefálica.
"Esta sencilla configuración será invaluable para los investigadores interesados en modular células y tejidos con ultrasonido", dijo Pak Kin Wong, profesor de ingeniería biomédica, ingeniería mecánica y cirugía en Penn State y coautor del artículo. "Se puede utilizar para explorar nuevas aplicaciones terapéuticas de ultrasonido, como la inmunoterapia con ultrasonido enfocado".
El chip de estimulación por ultrasonido es de bajo costo, fácil de fabricar, compacto y de tamaño escalable, y desechable y reutilizable, según Haoyang Chen, primer autor del artículo y estudiante de doctorado de Kothapalli en ingeniería biomédica.
"Es fácil cultivar células en el chip utilizando métodos de cultivo celular estándar", dijo Chen. "La configuración proporciona parámetros de estimulación controlables para una variedad de experimentos y se pueden obtener imágenes con todas las técnicas de microscopía óptica convencionales".
Además de Kothapalli, Wong y Chen, otros contribuyentes al estudio fueron Peter Butler, profesor de ingeniería biomédica de Penn State y decano asociado de educación y programas profesionales de posgrado; los estudiantes graduados en ingeniería biomédica Ninghao Zhu, Mohamed Osman y Shubham Khandare; y los estudiantes universitarios de ingeniería biomédica Ryan Biskowitz y Jinyun Liu.