PAR LIGNE : Eric Batterman

Newswise – Une équipe de la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis et du MIT a créé une méthode microfluidique qui offre de nouvelles opportunités d’expériences sur les cellules nageuses et les micro-organismes.

« Les cellules que nos collaborateurs étudient sont de bons nageurs pour leur taille, donc les forces nécessaires pour les maintenir sont importantes », a-t-il déclaré. J Mark Meacham, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering et auteur principal de l’article, publié le 16 juin dans les Actes de la National Academy of Sciences. « Dans nos appareils, les ultrasons comme ceux utilisés pour l’imagerie sont capables de maintenir le corps cellulaire en place sans affecter la façon dont il nage. »

Les cellules utilisées dans la recherche étaient des algues unicellulaires Chlamydomonas reinhardtiun organisme modèle utilisé pour étudier le mouvement des cils, qui sont de petites structures ressemblant à des cheveux qui déplacent les fluides et propulsent les cellules.

La nouvelle approche a été motivée par des travaux antérieurs dans les laboratoires Philippe Bailey L’éminent professeur Lee Hunter et président du Département de génie mécanique et des sciences des matériaux, qui étudie le mouvement des cils, W Susan Hollander, professeur de génétique à la faculté de médecine de l’Université de Washington et expert de la structure et de la fonction des cils, tous deux co-auteurs de l’article. Meacham a développé la méthode et l’appareil avec le premier auteur Minjiang Cuien génie mécanique de McKelvey Engineering en 2017 et 2021, respectivement, et est maintenant chercheur postdoctoral au MIT.

C. reinhardtii Les cellules sont microscopiques – leurs cils sont plus petits – mais elles nagent environ 10 longueurs de corps par seconde. Leurs cils battent également environ 60 à 70 fois par seconde.

« Le champ de vision à la résolution nécessaire pour voir le mouvement des cils est dû au fait que les cellules s’éloignent très rapidement de l’endroit où elles regardent », a déclaré Meacham. « Il est difficile d’étudier leur comportement de nage sans piéger les cellules d’une manière ou d’une autre. »

Cui a contourné le problème du piégeage en utilisant une combinaison de deux types d’ondes sonores. Une onde acoustique de surface génère des vibrations qui se propagent le long de la surface du matériau, et une grande onde acoustique est générée par des vibrations de surface dans le fluide où se trouvent les cellules.

« Les cellules sont retenues par les ondes sonores dans le fluide dans ce qu’on appelle des nodules ou des zones de basse pression », a déclaré Meacham. « Nous voulions utiliser des ondes acoustiques de surface car elles permettent des fréquences plus élevées qui donnent des pièges plus petits avec moins de distance entre eux, et cela donne un meilleur contrôle sur les cellules qui essaient de manipuler. »

Malheureusement, les dispositifs à ondes acoustiques de surface conventionnels ne sont pas aussi efficaces que leurs homologues à ondes acoustiques volumineuses, et une efficacité est nécessaire pour générer une force de piégeage suffisante sur ces cellules pour les maintenir sans surchauffer le dispositif.

« Toute incompétence conduit à une surchauffe, et cela tue les cellules », a déclaré Mecham. « Mingyang a créé une structure d’appareil où un petit canal de verre est utilisé, qui peut convertir les ondes acoustiques de surface en ondes sonores collectées pour améliorer l’efficacité. L’utilisation du verre nous permet également d’utiliser la microscopie à immersion dans l’huile à haute résolution. »

« Une fois ces défis pratiques résolus, nous pouvons nous concentrer sur les autres avantages du piégeage acoustique des fluides », a déclaré Meacham. « Le principal besoin de nos collaborateurs était de piéger ces cellules sans restreindre leur renouvellement. Le piège acoustique permet cela car il n’entre pas directement en contact avec les cellules. »

Auparavant, pour étudier cette nage C. reinhardtii cellules, les chercheurs ont utilisé une pipette d’aspiration pour maintenir la cellule en place lors de l’imagerie des cils. Cependant, cela ne permet pas au corps cellulaire de bouger même légèrement en réponse au battement des cils, limitant notamment la rotation de la cellule, qui est le mouvement naturel lorsqu’elle nage.

« Pensez-y comme un tapis roulant pour ces petits nageurs, et le champ acoustique fournit un moyen de maintenir la cellule en place sans affecter le mouvement des cils ou la nage dans un espace tridimensionnel », a déclaré Meacham.

L’appareil présente également des avantages supplémentaires pour les travaux expérimentaux avec des nageurs de précision.

« Nous pouvons créer 25 à 30 pièges à la fois et effectuer toutes les analyses des cellules piégées en parallèle », a déclaré Meacham. « Vous ne pouvez pas faire cela avec une micropipette – ce n’est tout simplement pas physiquement possible. De cette façon, vous pouvez rapidement effectuer des mesures sur un plus grand nombre de cellules. »

Bailey s’est dit enthousiasmé par les implications de ce travail pour comprendre le mouvement cellulaire.

« Les résultats de Mingyang indiquent que la méthode n’affecte en rien la nage, mais le gros impact peut être dans la flexibilité de l’approche pour piéger les cellules nageuses ou les micro-organismes de cette taille », a déclaré Bailey. « Vous pouvez maintenant exécuter un certain nombre de nouvelles expériences pour répondre à des questions biologiques sans réponse en utilisant le piégeage acoustique pour fournir un environnement contrôlé pour que cette expérience ait lieu. »

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Cowie M, Dutch SK, Bailey PV, Meacham JM. Le piégeage acoustique fort et la turbulence dans les micronages unicellulaires illuminent la nage 3D et la coordination ciliaire. Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS) 16 juin 2023. DOI : https://doi.org/10.1073/pnas.2218951120.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (CMMI-1633971 et CBET-1944063).

Publié à l’origine par la McKelvey School of Engineering.