Nature 子刊:控制细胞,实现个性化的癌症治疗

【字体: 时间:2022年03月29日 来源:Duke University

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  机械工程师们正在使用两个电子“声音”唱着和声二重奏,以新的、有价值的方式控制悬浮颗粒和细胞。他们的原型设备可以从一组粒子中形成并旋转单层晶体,用给定数量的粒子创造任意形状,并将成对的生物细胞移动到一起,再移动数百次。这些能力可以服务于材料科学、生物物理学、生命科学和医学等领域。

  

这些能力可以服务于各种各样的领域,如材料科学、软凝聚态物理、生物物理学、生命科学和医学。

例如,研究人员已经证明,该设备可以选择性地配对两个单独的细胞,并测量它们的粘合力——这是一项壮举,医生可以利用它来确定对单个癌症患者的治疗。由于这种声学设备的灵巧和柔和,研究人员将其命名为HANDS平台。(非接触、动态、选择性粒子操纵的调和声学。)

研究结果发表在3月24日的《自然材料》(Nature Materials)杂志网络版上。

杜克大学机械工程和材料科学威廉贝文杰出教授Tony Jun Huang说:“成对粒子或细胞的分离多年来一直是声学操纵领域的主要目标。”“我们的HANDS平台是第一个分离成对物体的方法,它为生物物理学研究和药物发现中广泛需要的细胞-细胞相互作用研究提供了一种方法。”

声学镊子是一个快速发展的领域,它利用声波的各种物理现象,轻轻地操纵悬浮在液体中的粒子或细胞,而不接触它们。一些例子在两个声波之间捏住粒子,并调整声波的相位或起始点来移动它们。另一些则是将两种静止的声波组合在一起,将粒子分离成不同的形状,比如网格。

现在,研究人员通过在装置中引入压电旋律和和声,为这些设备增加了一层新的复杂性。以前的设备会产生静态驻波,而HANDS平台原型使用了一个函数生成器来产生变化迅速的复杂驻波。我们可以这样想,机器不是在唱一个音符,而是在两名歌手的配合下,在一出复杂的歌剧中快速地达到高潮和低谷。

这种新设备的工作原理是在一个充满液体的方形小腔的两侧各放置一个产生声音的换能器。这四个换能器与它们对面的换能器同步工作,形成两对。一种是水平的,另一种是垂直的。这两种复杂的、快速变化的声波模式的相互作用创造了从未在该领域中展示过的动态能力。

“我模拟了这些波是如何结合在腔室中操纵粒子的,然后进行实验以看到实际结果,”黄实验室的博士后助理杨淑杰说。“这花了很长时间,也进行了很多试验,但最终模拟效果足够好,可以开始匹配结果。一旦模拟准确,我就可以开始预测新的能力。”

在本文中,杨展示了和声二重奏声学镊子的几种新功能。在一项实验中,他展示了HANDS平台可以将24个颗粒组成的三维团簇变平并形成晶体结构。它可以像指尖上的盘子一样旋转这些扁平的结构。

说到单个粒子的处理,这篇论文展示了粒子被诱导成三种不同的结构,这些结构与字母O惊人地相似,然后,该设备将几十个单一粒子配对,就像学校舞会上的青少年一样。它还显示,它可以将每一对粒子分开,再将它们重新组合1000多次。

在最后的演示中,杨展示了该设备可以从一组细胞中选择一对细胞,把它们推到一起,然后再把它们分开。然后他用这种能力来测量两个相互接触的细胞之间的粘附力。

据研究人员称,这是HANDS平台最令人兴奋的功能,因为它可以对个性化药物进行详细的测试。

“我对这个平台的功能感到兴奋,它就像母亲的手一样温柔,”这项研究的共同领导者、哈佛医学院(Harvard Medical School)医学教授卢克·李(Luke Lee)说。“温柔而敏感的母亲之手,使我们能够建立定量细胞生物学和转化精准医学的基础。”

“例如,我们可以以高通量的方式系统地研究t细胞与癌细胞的相互作用,并获得精确的细胞-细胞相互作用力,”Lee说。“这可以帮助医生为患者找到最有效、最具体的细胞疗法,作为个性化精准医疗。”

Journal Reference:

  1. Shujie Yang, Zhenhua Tian, Zeyu Wang, Joseph Rufo, Peng Li, John Mai, Jianping Xia, Hunter Bachman, Po-Hsun Huang, Mengxi Wu, Chuyi Chen, Luke P. Lee, Tony Jun Huang. Harmonic acoustics for dynamic and selective particle manipulation. Nature Materials, 2022; DOI: 10.1038/s41563-022-01210-8.

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