Transparenter Ultraschallchip verbessert Zellstimulation und Bildgebung
Künftige Anwendungen der Technologie könnten sich auf die Stammzellen-, Krebs- und neurowissenschaftliche Forschung erstrecken
Ultraschalluntersuchungen, die vor allem für die Überwachung von Schwangerschaften oder die Darstellung von Organen bekannt sind, können auch zur Stimulierung von Zellen und zur Steuerung von Zellfunktionen eingesetzt werden. Ein Team von Forschern der Penn State University hat eine einfachere und effektivere Methode entwickelt, um die Technologie für biomedizinische Anwendungen nutzbar zu machen.
Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik an der Penn State University, hält einen transparenten, biokompatiblen Ultraschallwandler-Chip, der, wenn er an den Strom angeschlossen ist, Zellen stimuliert. Das neue Ultraschallgerät hat Auswirkungen auf die künftige Krebs- und Stammzellenforschung.
Kelby Hochreither/Penn State
Das Team hat einen transparenten, biokompatiblen Ultraschallwandler-Chip entwickelt, der einem Objektträger ähnelt und zur einfachen Betrachtung in jedes Lichtmikroskop eingesetzt werden kann. Zellen können direkt auf dem Transducer-Chip kultiviert und stimuliert werden, und die daraus resultierenden Veränderungen der Zellen können mit optischen Mikroskopietechniken abgebildet werden.
Die in der Zeitschrift Lab on a Chip der Royal Society of Chemistry veröffentlichte Arbeit wurde als Titelartikel für die Dezemberausgabe 2021 ausgewählt. Künftige Anwendungen der Technologie könnten sich auf die Stammzellen-, Krebs- und Neurowissenschaftliche Forschung auswirken.
"Bei herkömmlichen Experimenten zur Ultraschallstimulation wird eine Zellkulturschale in ein Wasserbad gestellt, und ein sperriger Ultraschallwandler leitet die Ultraschallwellen durch das Wassermedium zu den Zellen", so Sri-Rajasekhar "Raj" Kothapalli, Studienleiter und Assistenzprofessor für Biomedizintechnik an der Penn State. "Dies war ein komplexer Aufbau, der keine reproduzierbaren Ergebnisse lieferte: Die Ergebnisse, die eine Gruppe erzielte, waren bei einer anderen Gruppe nicht reproduzierbar, selbst wenn dieselben Parameter verwendet wurden, denn es gibt verschiedene Faktoren, die das Überleben und die Stimulation der Zellen beeinflussen können, während sie sich im Wasser befinden, und auch die Art und Weise, wie wir sie visualisieren."
Kothapalli und seine Mitarbeiter miniaturisierten den Aufbau der Ultraschallstimulation, indem sie eine transparente Wandlerplattform aus einem piezoelektrischen Lithiumniobat-Material herstellten. Piezoelektrische Materialien erzeugen mechanische Energie, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Dank der biokompatiblen Oberfläche des Chips können die Zellen direkt auf dem Transducer kultiviert und für wiederholte Stimulationsexperimente über mehrere Wochen verwendet werden.
Wenn der Transducer an eine Stromversorgung angeschlossen ist, sendet er Ultraschallwellen aus, die die Zellen pulsieren und den Ein- und Ausfluss von Ionen auslösen.
Um den Aufbau zu testen, kultivierten Kothapalli und sein Team Blasenkrebszellen auf dem Chip. Anschließend setzten sie fluoreszierende Kalziumindikatoren in die Zellen ein, so dass die Forscher die dynamischen Veränderungen der Kalziumsignale der Zellen während der Stimulation unter dem Mikroskop deutlich erkennen konnten.
"Da die Zellen direkt auf der transparenten Wandleroberfläche sitzen, können wir im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren bestätigen, dass alle Zellen gleichzeitig mit einem einzigen Ultraschallreiz stimuliert werden", sagte Kothapalli, der am Penn State Cancer Institute arbeitet. "Und im Gegensatz zu früheren Verfahren können wir hochauflösende Bilder von vielen Zellen auf einmal in einem einzigen Sichtfeld erhalten, weil wir die Zellen aus kurzer Entfernung sehen können."
Mit der Studie an Blasenkrebszellen haben die Forscher den Nachweis erbracht, dass das neue Wandler-Setup funktioniert. Laut Kothapalli können sie diese Erkenntnisse jedoch ausweiten, um den Wandleraufbau für potenzielle künftige Anwendungen wie Stammzelldifferenzierung, mechanosensitive Neuromodulation, Medikamentenverabreichung und die Öffnung der Blut-Hirn-Schranke zu nutzen.
"Dieser einfache Aufbau wird für Forscher von unschätzbarem Wert sein, die an der Modulation von Zellen und Geweben mit Ultraschall interessiert sind", sagte Pak Kin Wong, Professor für Biomedizintechnik, Maschinenbau und Chirurgie an der Penn State University und Mitautor der Studie. "Er kann verwendet werden, um neue therapeutische Ultraschallanwendungen zu erforschen, wie zum Beispiel die fokussierte Ultraschallimmuntherapie."
Der Ultraschall-Stimulations-Chip ist kostengünstig, einfach herzustellen, kompakt und in der Größe skalierbar sowie ein- und wiederverwendbar, so Haoyang Chen, Erstautor der Arbeit und Doktorand bei Kothapalli in Biomedizintechnik.
"Es ist einfach, Zellen auf dem Chip mit Standard-Zellkulturmethoden zu züchten", so Chen. "Der Aufbau bietet kontrollierbare Stimulationsparameter für eine Vielzahl von Experimenten und kann mit allen konventionellen optischen Mikroskopietechniken abgebildet werden."
Neben Kothapalli, Wong und Chen haben auch Peter Butler, Professor für Biomedizintechnik an der Penn State University und stellvertretender Dekan für Ausbildung und Graduiertenprogramme, die Studenten der Biomedizintechnik Ninghao Zhu, Mohamed Osman und Shubham Khandare sowie die Studenten der Biomedizintechnik Ryan Biskowitz und Jinyun Liu zu der Studie beigetragen.
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