Les échographies, mieux connues pour surveiller les grossesses ou pour imager les organes, peuvent également être utilisées pour stimuler les cellules et diriger leur fonction. Une équipe de chercheurs de Penn State a développé un moyen plus simple et plus efficace d'exploiter la technologie pour des applications biomédicales.
L’équipe a créé une puce transductrice ultrasonore transparente et biocompatible qui ressemble à une lame de verre de microscope et peut être insérée dans un microscope optique pour une visualisation facile. Les cellules peuvent être cultivées et stimulées directement au-dessus de la puce transductrice et les changements qui en résultent dans les cellules peuvent être visualisés à l'aide de techniques de microscopie optique.
Publié dans la revue Lab on a Chip de la Royal Society of Chemistry, l'article a été sélectionné comme article de couverture du numéro de décembre 2021. Les applications futures de cette technologie pourraient avoir un impact sur la recherche sur les cellules souches, le cancer et les neurosciences.
"Dans les expériences conventionnelles de stimulation par ultrasons, une boîte de culture cellulaire est placée dans un bain-marie et un transducteur à ultrasons volumineux dirige les ondes ultrasonores vers les cellules à travers le milieu aqueux", a déclaré Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, chercheur principal et assistant. professeur de génie biomédical à Penn State. "Il s'agissait d'une configuration complexe qui ne fournissait pas de résultats reproductibles : les résultats qu'un groupe a vus, un autre non, même en utilisant les mêmes paramètres, car plusieurs choses pourraient affecter la survie et la stimulation des cellules pendant leur fonctionnement. l'eau, ainsi que la façon dont nous les visualisons.
Kothapalli et ses collaborateurs ont miniaturisé l'installation de stimulation par ultrasons en créant une plate-forme de transducteur transparente constituée d'un matériau piézoélectrique au niobate de lithium. Les matériaux piézoélectriques génèrent de l'énergie mécanique lorsqu'une tension électrique est appliquée. La surface biocompatible de la puce permet aux cellules d'être cultivées directement sur le transducteur et utilisées pour des expériences de stimulation répétées sur plusieurs semaines.
Lorsqu'il est connecté à une alimentation électrique, le transducteur émet des ondes ultrasonores qui pulsent les cellules et déclenchent l'afflux et la sortie d'ions.
Pour tester l'installation, Kothapalli et son équipe ont cultivé des cellules cancéreuses de la vessie sur la puce. Ils ont ensuite inséré des indicateurs fluorescents de calcium dans les cellules pour permettre aux chercheurs de voir clairement les changements dynamiques dans la signalisation cellulaire du calcium au microscope pendant la stimulation.
"Étant donné que les cellules sont directement posées sur la surface transparente du transducteur, nous pouvons confirmer que toutes les cellules sont stimulées de manière égale en même temps à l'aide d'un seul stimulus ultrasonore, contrairement aux approches conventionnelles", a déclaré Kothapalli, co-recruteur du Penn State Cancer Institute. , dit. "Et contrairement aux processus antérieurs, nous pouvons obtenir des images haute résolution de plusieurs cellules à la fois dans un seul champ de vision, car nous sommes capables de voir les cellules de près."
Grâce à l’étude sur les cellules cancéreuses de la vessie, les chercheurs ont établi la preuve de concept de la nouvelle configuration du transducteur. Mais ils peuvent étendre ces découvertes pour utiliser la configuration du transducteur dans de futures applications potentielles, selon Kothapalli, telles que la différenciation des cellules souches, la neuromodulation mécanosensible, l'administration de médicaments et l'ouverture de la barrière hémato-encéphalique.
"Cette configuration simple sera inestimable pour les chercheurs intéressés par la modulation des cellules et des tissus avec des ultrasons", a déclaré Pak Kin Wong, professeur de génie biomédical, de génie mécanique et de chirurgie à Penn State et co-auteur de l'article. "Il peut être utilisé pour explorer de nouvelles applications thérapeutiques par ultrasons, telles que l'immunothérapie par ultrasons focalisés."
La puce de stimulation par ultrasons est peu coûteuse, facile à fabriquer, compacte et évolutive, jetable et réutilisable, selon Haoyang Chen, premier auteur de l'article et doctorant sous Kothapalli en génie biomédical.
"Il est facile de cultiver des cellules sur la puce en utilisant des méthodes de culture cellulaire standard", a déclaré Chen. "La configuration fournit des paramètres de stimulation contrôlables pour diverses expériences et peut être visualisée avec toutes les techniques de microscopie optique conventionnelles."
Outre Kothapalli, Wong et Chen, les autres contributeurs à l'étude étaient Peter Butler, professeur de génie biomédical à Penn State et doyen associé à l'éducation et aux programmes professionnels d'études supérieures ; les étudiants diplômés en génie biomédical Ninghao Zhu, Mohamed Osman et Shubham Khandare ; et les étudiants de premier cycle en génie biomédical Ryan Biskowitz et Jinyun Liu.