Устройство быстро измеряет рост множества одиночных клеток одновременно
Новая методика, разработанная в MIT, позволяет точно измерять рост множества отдельных клеток одновременно. Этот прорыв обещает ускоренное тестирование лекарств, даёт новое понимание вариаций роста отдельных клеток в больших популяциях и помогает отслеживать динамику роста клеток в ответ на изменение условий среды.
Техника, описанная в статье в Nature Biotechnology, использует массив резонаторов с подвешенными микрофлюидными каналами (SMR) — устройство, измеряющее массу отдельных клеток, когда они протекают через крошечные каналы. Новая конструкция увеличила пропускную способность устройства почти на два порядка, сохранив точность. Старший автор статьи, профессор MIT Скотт Маналис, и другие исследователи работают над SMR почти десять лет.
В новом исследовании учёные использовали устройство для наблюдения за эффектами антибиотиков и антимикробных пептидов на бактерии, а также для выявления вариаций роста отдельных клеток в популяциях, что имеет важное клиническое значение. Например, медленнее растущие бактерии иногда могут быть более устойчивы к антибиотикам и приводить к рецидивирующим инфекциям.
Ведущими авторами статьи являются Натан Чермак, недавний выпускник PhD программы MIT по вычислительной и системной биологии, и Селим Олкум, научный сотрудник Института Коха. Всего у статьи 13 других соавторов.
Массив возможностей
Маналис и его коллеги впервые разработали SMR в 2007 году. Все версии техники полагаются на ключевую схему: один заполненный жидкостью микрофлюидный канал протравлен в крошечном кремниевом кантилеверном сенсоре, который вибрирует внутри вакуумной полости. Когда клетка входит в кантилевер, она слегка изменяет частоту вибрации сенсора, что позволяет определить её массу.
Ключом новой технологии стала разработка и управление массивом из 10–12 кантилеверных сенсоров, которые действуют как пункты взвешивания, записывая массу клетки по мере её протекания через устройство размером с почтовую марку. Между каждым сенсором находятся извилистые «каналы задержки» длиной около пяти сантиметров, через которые клетки текут около двух минут, успевая подрасти до следующего сенсора.
В исследовании учёные смогли измерить около 60 клеток млекопитающих и 150 бактерий в час, в то время как одиночные SMR измеряли лишь несколько клеток за это время.
Сравнимый метод для одновременного измерения масс множества отдельных клеток — количественная фазовая микроскопия (QPM), которая вычисляет сухую массу клеток, измеряя их оптическую толщину. Однако подход на основе SMR значительно точнее: «Мы можем надёжно определять изменения массы раковой клетки менее чем на одну десятую процента примерно за 20 минут».
Новые возможности тестирования лекарств
В одном эксперименте исследователи наблюдали эффекты антибиотика канамицина на E. coli. Традиционные тесты на антибиотики требуют выращивания культуры бактерий, что может занимать день и более. Используя новое устройство, в течение часа исследователи зафиксировали изменение скорости накопления массы клетками.
Аналогично учёные использовали устройство для наблюдения за эффектами антимикробного пептида CM15. CM15 создаёт микроскопические отверстия в клеточных стенках бактерий, из-за чего содержимое клетки постепенно вытекает. Исследователи наблюдали быстрое снижение массы клеток E. coli сразу после воздействия CM15.
В настоящее время исследователи работают с коллегами из Института рака Дана-Фарбер, чтобы определить, можно ли использовать устройство для прогнозирования реакции пациента на терапию путём взвешивания опухолевых клеток в присутствии противораковых препаратов.