Digamos que você precise mover uma célula individual de um lugar para outro. Como você faria? Talvez algumas pinças especiais? Uma pá bem pequena?
O fato é que manipular células individuais é uma tarefa difícil. Algum trabalho foi feito nas chamadas pinças ópticas que podem empurrar as células com feixes de luz, mas embora sejam boas em mover uma única célula, elas não se destinam a manipular um número maior de células.
Uma nova pesquisa realizada no Caltech criou uma alternativa: proteínas cheias de ar, produzidas por células geneticamente modificadas, que podem ser empurradas – junto com as células que as contêm – por ondas de ultrassom. Um artigo descrevendo o trabalho aparece na revista Avanços da Ciência.
O trabalho se baseia em trabalhos anteriores conduzidos no laboratório de Mikhail Shapiro, professor de engenharia química e engenharia médica e pesquisador do Howard Hughes Medical Institute.
Shapiro trabalhou durante anos com vesículas de gás derivadas de bactérias como etiqueta acústica. Essas vesículas, que são cápsulas de proteína cheias de ar, fornecem flutuabilidade para algumas espécies de bactérias aquáticas. Mas eles também têm outra qualidade útil: por causa de seus interiores cheios de ar, eles aparecem bastante nas imagens de ultrassom. A descoberta de Shapiro dessa qualidade levou seu laboratório a desenvolver vesículas de gás como um marcador genético para rastrear a localização de células bacterianas individuais e para observar a atividade de expressão gênica em células de mamíferos no interior do corpo.
Agora, Shapiro e seus colegas mostraram que essas vesículas podem empurrar e puxar células para locais específicos sob a influência do ultrassom. O fenômeno é muito semelhante a como o ultrassom no ar pode ser usado para suspender e/ou mover objetos pequenos e leves. Isso se deve ao fato de as ondas sonoras criarem zonas de pressão que agem sobre os objetos próximos. As propriedades físicas de um objeto ou material determinam se ele será atraído para uma zona de alta pressão ou repelido por ela. As células normais são afastadas das áreas de maior pressão, mas as células que contêm vesículas de gás são atraídas para elas.
“Usamos essas vesículas para imagens anteriormente e, desta vez, mostramos que podemos realmente usá-las como atuadores para que possamos aplicar força a esses objetos usando ultrassom”, diz Di Wu (MS ’16, PhD ’21) , cientista pesquisador do laboratório de Shapiro e principal autor do estudo. “O que isso nos permite fazer é mover as células no espaço usando ultrassom e ser capaz de fazer isso de maneira muito seletiva”.
Shapiro e Wu dizem que existem algumas razões pelas quais você pode querer mover as células. Por um lado, a engenharia de tecidos – a criação de tecidos artificiais para fins médicos ou de pesquisa – exige que células de tipos específicos sejam organizadas em padrões complexos. Um músculo artificial pode precisar de várias camadas de células musculares, células que criam tendões e células nervosas, por exemplo.
Outro caso em que você pode querer mover células é na terapia baseada em células, um campo da medicina no qual células com propriedades desejáveis são introduzidas no corpo.
“Você está introduzindo células modificadas no corpo, e elas percorrem todo o lugar para encontrar seu alvo”, diz Di. “Mas com esta tecnologia, temos potencialmente uma maneira de guiá-los para o local desejado no corpo.”
Como demonstração, a equipe mostrou que células contendo vesículas de gás podem ser forçadas a se aglomerar em uma pequena bola, ou dispostas como faixas finas, ou empurradas para as bordas de um recipiente. Quando mudaram o padrão de ultrassom, as células “dançaram” para assumir novas posições. Eles também desenvolveram um padrão de ultrassom que empurrou as células para a forma da letra “R” em um gel que as manteve nessa forma depois de solidificadas. Eles chamam a figura resultante de “holograma acústico”.
Um aparelho de ultrassom organiza vesículas de gás na forma da letra R em solução. Crédito: Lance Hayashida/Caltech
Wu diz que uma área em que sua pesquisa tem potencial para impacto imediato é na triagem de células, um processo necessário para vários tipos de pesquisa biológica e médica.
“Uma maneira comum de as pessoas classificarem as células agora é projetá-las para expressar uma proteína fluorescente e, em seguida, usar um classificador de células ativadas por fluorescência (FACS)”, diz ele. “Esse é um equipamento de $ 300.000 que é volumoso, muitas vezes vive em um gabinete de biossegurança e não classifica as células muito rapidamente”.
“Em contraste, a triagem acústico-fluídica pode ser feita com um pequeno chip que custa talvez US$ 10. A razão para essa diferença é que na triagem fluorescente, você tem que medir separadamente a expressão gênica das células e depois movê-las. feito uma célula de cada vez. Com a expressão de vesícula de gás, a genética da célula está diretamente ligada à força que está sendo aplicada à célula. Se elas expressarem vesículas de gás, elas experimentarão uma força diferente, então não precisamos verificar separadamente se eles estiverem expressando vesículas de gás e depois movê-los, podemos movê-los todos de uma vez. Isso simplifica muito as coisas.”