华盛顿大学圣路易斯分校的研究人员多年来一直在研究纤毛，以确定其功能障碍如何导致不育和其他与纤毛相关疾病相关的疾病。现在，他们将能够通过一种新方法更快地完成这些研究，该方法利用声波瞬间捕获由纤毛推动的细胞，然后释放它们以测量它们游走时的运动。
由McKelvey工程学院机械工程和材料科学助理教授J. Mark Meacham领导的跨学科团队和他实验室的学生使用声学微流体方法，在一个充满液体的小室内使用超声波驻波来收集组单细胞绿藻细胞Chlamydomonas reinhardtii，一种用于研究人类纤毛的模式生物。所谓的声阱利用细胞体的材料特性将它们固定在适当的位置而不会损坏它们。通过首先收集细胞，该团队可以在几分钟内有效地分析数百个细胞。结果发表在2019年6月12日的印刷版“ Soft Matter ”杂志的封底内页上。
“把它想象成一个由超声场制成的小笼子，”米查姆说。“细胞正在试图找到逃生的方法，但被构成笼壁的波浪推回。当墙壁被移除时，它们可以自由奔跑。”
纤毛是细胞中的微小毛发状结构，排列在我们的肺部，鼻部，大脑和生殖系统中。它们旨在清除液体和微生物，使人们保持健康。当他们出现故障时，不孕症，慢性中耳感染，大脑水和其他疾病都会发展。
Susan Dutcher 是医学院的遗传学和细胞生物学和生理学教授，也是该论文的共同作者，他与C. reinhardtii及其数百种遗传变异体或突变体一起研究纤毛行为和功能障碍。Meacham说，使用当前方法分析这么多变种，手动追踪单个细胞，需要很长时间。
“对于Dutcher博士来说，根据游泳的有效性快速对其细胞进行分类，并选择那些最费力，繁琐，详细分析最感兴趣的细胞是有用的，”Meacham说。“这就是这种基于种群的方法真正有用的方法，使我们能够在短时间内分析大量给定的突变体。”
对于这项工作，该团队使用来自Dutcher实验室的三种遗传变异的C. reinhardtii细胞作为模型。
Meacham和博士生，该论文的第一作者Minji Kim开发了微流控芯片，该芯片足够小，其中两个适合1英寸×3英寸的载玻片。细胞通过入口和出口通道进入和离开，入口和出口通道连接到装置中心的圆形腔室 - 就像在打开超声波之前用于细胞的大而开放的固定笔。Kim和Meacham将含有细胞的液体插入装置中，然后通过压电传感器激活超声波。超声波从室壁反射以在圆形室内产生压力井，其将细胞捕获在室的中心处的组中。
在对细胞进行成像后，研究人员关闭超声波，有效地打开笼门，让细胞游离。
“这个声学陷阱使我们能够进行这种有趣的分析，我们无法做任何其他方式，”Meacham说。“我们可以捕获并释放细胞群，进行分析，加载下一个群体，捕获，释放，分析并加载下一个细胞，每个样本在几十秒到一分钟内进行分级测量不同细胞类型的能力。“
Meacham说，分析传播细胞很容易自动化，因为游泳从一个地方开始。细胞在释放的细胞的连续图像中显示为黑色像素。然后，细胞形状的变化与游泳速度有关。
“我们观察他们游泳一到三秒，然后一旦我们拥有这些图像，分析它们的过程就是自动化的，”Kim说。“我们可以通过自动化方式从大约50个细胞中获得运动测量，这比通过跟踪单个细胞要快得多。”
最终，该团队寻求为研究人员提供一种工具，根据其运动能力对细胞进行分类，无论是对C. reinhardtii突变体进行编目还是用于评估精子细胞运动，Meacham说。