Ao tratar as células vivas como pequenas esponjas absorventes, os pesquisadores desenvolveram uma forma potencialmente nova de introduzir moléculas e genes terapêuticos nas células humanas.

A técnica primeiro comprime as células em um dispositivo microfluídico, fazendo-as fluir rapidamente através de uma série de minúsculas "colisões de velocidade" embutidas nos microcanais, que comprime pequenas quantidades de fluido - conhecido como citosol - de dentro das células. As células então se recuperam naturalmente e se recarregam, sugando o fluido circundante e puxando macromoléculas ou genes misturados a ele. Embora as colisões abruptas possam reduzir o volume da célula em até 30 por cento, as células se recuperam rapidamente e menos de 5% das células sofrem perda de viabilidade.

A nova técnica é conhecida como troca de volume celular para transferência convectiva, ou célula VECT. Acredita-se que seja o primeiro processo de compressão a estimular a troca de volume celular altamente transiente, utilizando a capacidade das células de perder e recuperar rapidamente seu citosol. A pesquisa, que foi apoiado pela National Science Foundation, National Institutes of Health e Wallace H. Coulter Foundation, foi relatado online em 17 de abril pelo jornal Materiais Hoje .

"Estamos aproveitando uma propriedade mecânica intrínseca das células, "disse Anna Liu, um Ph.D. candidato no laboratório do Professor Associado Todd Sulchek na Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "Quando as células são comprimidas repentinamente por um período de microssegundos, eles perdem um pouco de seu volume. As células estão trocando volume com o fluido ao seu redor, e é isso que lhes permite absorver macromoléculas de seu ambiente por convecção. "

A técnica pode ser útil para transfecção de células, em que um gene alvo é introduzido nas células humanas para causar um comportamento que as células normalmente não exibiriam, como a expressão de uma proteína. Existem várias técnicas existentes para a introdução de material genético em células vivas, incluindo o uso de vírus especialmente projetados, mas as técnicas existentes têm desvantagens significativas.

Uma ampla gama de aplicações terapêuticas e diagnósticas pode se beneficiar da introdução de grandes moléculas, que também podem ser usados ​​como marcadores para fins de controle de qualidade na fabricação de células. "Existem muitas razões para querer entregar moléculas ao interior das células, mas não há muitas maneiras boas de fazer isso, "disse Liu, que é bolsista de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation.

Os pesquisadores descobriram os fenômenos de compressão e mudança de volume ao desenvolver técnicas para classificar células de acordo com suas propriedades mecânicas. Em seus dispositivos microfluídicos, a compressão forçou as células mais suaves a se moverem em uma direção, enquanto as células mais rígidas tomaram um caminho diferente. Embora a pesquisa tenha se concentrado na detecção do câncer, também produziu uma nova compreensão do que acontece às células quando são comprimidas rapidamente.

"Nossa técnica não depende em nada das propriedades das macromoléculas para fazer o trabalho, "Liu explicou." A atividade é toda causada pelo influxo convectivo de volume de fluido de volta para as células. As moléculas no fluido estão apenas no caminho, o que nos permite transferir moléculas independentemente de seu tamanho ou propriedades. "

A velocidade de compressão é crítica. Se as células sofrem compressão por longos períodos de tempo, eles podem se deformar gradualmente e manter seu volume. Todo o processo de compressão e relaxamento VECT da célula leva milissegundos, fazendo com que as células se deformem repentinamente sem conservar o volume. No entanto, o processo tem pouco ou nenhum efeito sobre a viabilidade celular. "Fizemos uma variedade de testes para ver se a viabilidade celular, função e expressão gênica são alteradas, e não vimos nenhuma diferença significativa, "Liu disse.

Os pesquisadores estudaram uma ampla gama de tipos de células humanas, de câncer de próstata a células de leucemia, e até células T primárias. Eles começaram entregando um polissacarídeo, dextran, e seguido com proteínas, RNA e plasmídeos. Para explorar os limites da técnica, eles usaram o VECT celular para mover partículas de 100 nanômetros para dentro das células.

Além de transferir macromoléculas terapêuticas e diagnósticas que agora são difíceis de introduzir nas células, a técnica pode permitir que macromoléculas maiores sejam entregues às células, abrindo novas possibilidades para a engenharia e terapias celulares.

"Cell VECT significa que não estamos mais limitados pelo tamanho da carga que um vírus pode transportar, "disse Alexander Alexeev, professor associado da Woodruff School of Mechanical Engineering e colaborador na pesquisa. "Isso pode abrir uma nova maneira para os pesquisadores criarem células vivas usando moléculas mais complexas. O tamanho da carga não seria mais um problema crítico."

Ao introduzir moléculas de marcação nas células, a técnica de célula VECT também pode fornecer uma técnica de controle de qualidade confiável e reproduzível para processos de fabricação que geram células terapêuticas, Sulchek observou.

Em trabalho futuro, os pesquisadores planejam desenvolver uma melhor compreensão de como a técnica funciona, estude os parâmetros do processo - e observe as células por longos períodos de tempo para se certificar de que não haja efeitos nocivos.

"Ainda há uma compreensão científica básica que precisamos desenvolver, "Sulchek disse." Gostaríamos de caracterizar o que deixa as células, e em que condições eles saem. Queremos saber com que rapidez as coisas voltam, quais são as limitações desse retorno, e para onde vão na cela quando regressam. "