Une puce à ultrasons transparente améliore la stimulation cellulaire et l’imagerie

L’équipe a créé une puce de transducteur à ultrasons transparente et biocompatible qui ressemble à une lame de verre de microscope et peut être insérée dans n’importe quel microscope optique pour une visualisation facile. Les cellules peuvent être cultivées et stimulées directement au-dessus de la puce du transducteur et les changements résultants des cellules peuvent être imagés avec des techniques de microscopie optique.

Publié dans le journal de la Royal Society of Chemistry Laboratoire sur puce, l’article a été sélectionné comme article de couverture du numéro de décembre 2021. Les applications futures de la technologie pourraient avoir un impact sur la recherche sur les cellules souches, le cancer et les neurosciences.

“Dans les expériences de stimulation par ultrasons conventionnelles, 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 n’a pas fourni de résultats reproductibles : les résultats qu’un groupe a vus par un autre ne l’ont pas été, même en utilisant les mêmes paramètres, car il y a plusieurs choses qui pourraient affecter la survie et la stimulation des cellules lorsqu’elles sont dans l’eau. , ainsi que la façon dont nous les visualisons.”

Kothapalli et ses collaborateurs ont miniaturisé la configuration de stimulation par ultrasons en créant une plate-forme de transducteur transparente constituée d’un matériau piézoélectrique en niobate de lithium. Les matériaux piézoélectriques génèrent de l’énergie mécanique lorsqu’une tension électrique est appliquée. La surface biocompatible de la puce permet de cultiver les cellules directement sur le transducteur et de les utiliser 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’entrée et la sortie d’ions.

Pour tester la configuration, Kothapalli et son équipe ont cultivé des cellules cancéreuses de la vessie sur la puce. Ils ont ensuite inséré des indicateurs de calcium fluorescents dans les cellules pour permettre aux chercheurs de voir clairement les changements dynamiques de la signalisation du calcium cellulaire au microscope pendant la stimulation.

“Étant donné que les cellules sont directement assises sur la surface transparente du transducteur, nous pouvons confirmer que toutes les cellules sont également stimulées en même temps à l’aide d’un seul stimulus ultrasonore, contrairement aux approches conventionnelles”, a déclaré Kothapalli, co-employé du Penn State Cancer Institute. , mentionné. “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 une échographie”, 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 une variété d’expériences et peut être imagée avec toutes les techniques de microscopie optique conventionnelles.”

En plus de Kothapalli, Wong et Chen, d’autres contributeurs à l’étude étaient Peter Butler, professeur d’ingénierie biomédicale de Penn State et doyen associé pour l’éducation et les programmes professionnels diplômés; 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.

L’étude a été partiellement financée par le Penn State Cancer Institute, une subvention de démarrage multidisciplinaire de Penn State et la National Science Foundation.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par État de Penn. Original écrit par Mariah Chuprinski. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.