Digamos que necesita mover una celda individual de un lugar a otro. ¿Como lo harias? ¿Quizás unas pinzas especiales? ¿Una pala muy pequeña?

El hecho es que manipular células individuales es una tarea difícil. Se han realizado algunos trabajos en las llamadas pinzas ópticas que pueden empujar las células con haces de luz, pero si bien son buenas para mover una sola célula, no están diseñadas para manipular un gran número de células.

Una nueva investigación realizada en Caltech ha creado una alternativa : proteínas llenas de aire, producidas por células modificadas genéticamente, que pueden ser empujadas, junto con las células que las contienen, por ondas de ultrasonido. Un artículo que describe el trabajo aparece en la revista Science Advances.

El trabajo se basa en trabajos anteriores realizados en el laboratorio de Mikhail Shapiro, profesor de ingeniería química e ingeniería médica e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.

Shapiro ha trabajado durante años con vesículas de gas derivadas de bacterias como etiqueta acústica. Estas vesículas, que son cápsulas de proteína llenas de aire, proporcionan flotabilidad a algunas especies de bacterias acuáticas. Pero también tienen otra cualidad útil : debido a sus interiores llenos de aire, aparecen con bastante fuerza en las imágenes de ultrasonido. El descubrimiento de Shapiro de esta cualidad ha llevado a su laboratorio a desarrollar vesículas de gas como marcador genético para rastrear la ubicación de células bacterianas individuales y para observar la actividad de expresión génica en células de mamíferos en el interior del cuerpo.

Ahora, Shapiro y sus colegas han demostrado que estas vesículas pueden empujar y atraer células a lugares específicos bajo la influencia del ultrasonido. El fenómeno es muy similar a cómo se puede usar el ultrasonido en el aire para suspender y/o mover objetos pequeños y livianos. Esto se debe al hecho de que las ondas sonoras crean zonas de presión que actúan sobre los objetos que se encuentran a su alrededor. Las propiedades físicas de un objeto o material determinan si será atraído o rechazado por una zona de alta presión. Las células normales se alejan de las áreas de mayor presión, pero las células que contienen vesículas de gas se sienten atraídas por ellas.

« Hemos usado estas vesículas para obtener imágenes anteriormente, y esta vez hemos demostrado que en realidad podemos usarlas como actuadores para que podamos aplicar fuerza a estos objetos usando ultrasonido », dice Di Wu (MS ’16, PhD ’21), científico investigador en el laboratorio de Shapiro y autor principal del estudio. « Lo que esto nos permite hacer es mover las células en el espacio usando ultrasonido y poder hacerlo de una manera muy selectiva ».

Shapiro y Wu dicen que hay algunas razones por las que es posible que desee poder mover las células. Por un lado, la ingeniería de tejidos, la creación de tejidos artificiales con fines médicos o de investigación, requiere que las células de tipos específicos se organicen en patrones complejos. Un músculo artificial puede necesitar múltiples capas de células musculares, células que crean tendones y células nerviosas, por ejemplo.

Otro caso en el que es posible que desee mover las células es en la terapia basada en células, un campo de la medicina en el que se introducen en el cuerpo células con propiedades deseables.

« Estás introduciendo células modificadas en el cuerpo, y van por todos lados para encontrar su objetivo », dice Di. « Pero con esta tecnología, potencialmente tenemos una forma de guiarlos a la ubicación deseada en el cuerpo ».

Como demostración, el equipo mostró que las células que contienen vesículas de gas pueden forzarse a agruparse en una pequeña bola, organizarse como bandas delgadas o empujarse hacia los bordes de un contenedor. Cuando cambiaron el patrón de ultrasonido, las células « bailaron » para tomar nuevas posiciones. También desarrollaron un patrón de ultrasonido que empujó a las células a adoptar la forma de la letra « R » en un gel que las mantuvo en esa forma después de solidificarse. Llaman a la figura resultante un « holograma acústico ».

Un aparato de ultrasonido dispone las vesículas de gas en la forma de la letra R en solución. Crédito : Lance Hayashida/Caltech

Wu dice que un área en la que su investigación tiene el potencial de un impacto inmediato es en la clasificación de células, un proceso necesario para varios tipos de investigación biológica y médica.

« Una forma común en que las personas clasifican las células ahora es diseñarlas para que expresen una proteína fluorescente y luego usar un clasificador de células activado por fluorescencia (FACS) », dice. « Ese es un equipo de $300,000 que es voluminoso, a menudo vive en un gabinete de bioseguridad y no clasifica las células muy rápido ».

« En contraste, la clasificación acústica-fluídica se puede hacer con un pequeño chip que cuesta tal vez $ 10. La razón de esta diferencia es que en la clasificación fluorescente, debe medir por separado la expresión génica de las células y luego moverlas. Esto es hecho una célula a la vez. Con la expresión de vesículas de gas, la genética de la célula está directamente relacionada con la fuerza que se aplica a la célula. Si expresan vesículas de gas, experimentarán una fuerza diferente, por lo que no es necesario verificar por separado si están expresando vesículas de gas y luego las mueven, podemos moverlas todas a la vez. Eso simplifica mucho las cosas ».