HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont 
2024. jún. 28. | Hírek
Az egyedi sejtek vizsgálatát szolgáló eljárások, mint pl. az egysejt genomika, proteomika vagy a képanalízisen alapuló morfológiai jellemzés az elmúlt évtizedben a biológiai kutatások homlokterébe került. Ezen módszerek a sejtek nagypontosságú fizikai manipulációját követelik meg. Az egyedi sejtek szintjén ez a fajta manipuláció legtöbbször a sejtek szállítását vagy forgatását jelenti, amire számos módszert dolgoztak ki az elmúlt évek során. A legmodernebbek ezek közül a sejtek méretéhez hasonló méretű mikrofogókat használnak, de találhatók köztük nagyfrekvenciás elektromos teret alkalmazó ún. elektroforetikus eszközök vagy a sejt környezetében lézeres melegítéssel lokális folyadékáramlást előidéző rendszerek is. Az optikai csipesz ezen eszközök sorába illeszkedik, mint a sejtek nagy pontosságú mozgatására használható egyik leghatékonyabb módszer és amelyet 2018-ban fizikai Nobel díjjal jutalmaztak. Optikai csipeszt lézernyaláb lefókuszálásával hozhatunk létre, ahol a nyaláb fókuszával mikrométeres objektumok, mint pl. egyes sejtek csapdázhatók, megragadhatók. A sejtek megragadásának egy sokkal hatékonyabb módja azonban a hozzájuk rögzített piciny fogantyúkon keresztül történő indirekt csapdázás. Ezzel a módszerrel a csapdaerőt jelentősen meg lehet növelni, és el lehet kerülni az érzékeny sejtek intenzív fény okozta károsodását is. Ezeket a fogantyúkat, amelyek lehetnek egyszerű mikrogyöngyök, de összetettebb 3D eszközök is, erősen a sejthez kell kötni, amit többnyire valamilyen fiziko- vagy biokémiai eljárással érnek el. A fogantyúk használatának egyértelmű előnyei mellett a sejtek és a szerkezetek kezelése, valamint az a tény, hogy a fogantyúkat később nem lehet a sejtekről leválasztani, sokszor hátrányos lehet.
Erre a problémára dolgozott ki egy megoldást a HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biofizikai Intézetének Kelemen Lóránd vezette kutatócsoportja szlovák partnereikkel együttműködve, akik az egyedi sejtekhez átmenetileg rögzíthető, deformálható mikroeszközök új családját fejlesztették ki. Az eszközök legfontosabb jellemzője a rugalmasságuk, amely a sejtek megfogását bármiféle kezelés nélkül teszi lehetővé. Ezek az eszközök apró robotokként működnek, amelyek képesek megragadni, mozdulatlanul megtartani, forgatni, szállítani és végül elengedni a vizsgált sejteket. A mikroeszközök többfókuszú optikai csipesszel mozgathatók és deformálhatók a megcélzott sejtek befogása során. A szerkezetek deformálható részei akár 300 nanométer vékonyak is lehetnek, ami szükséges ahhoz, hogy az optikai csipesszel meg lehessen őket hajlítani. A mikrostruktúrákat szintén lézerrel, egy additív mikrogyártási technikával, az úgynevezett kétfotonos polimerizációval állítják elő. Ez az eljárás elengedhetetlen a mikrorobotok előállításához, mivel ez azon kevés technikák egyike, amelyek képesek tetszőleges alakú, akár 100 nanométeres részletekkel rendelkező 3D polimer objektumok előállítására.
A kutatók az eljárásukban rejlő lehetőségeket háromféle struktúrán keresztül mutatták be, melyeket három teljesen különböző sejtmanipulációs feladathoz terveztek. Az első egy sejtszállító eszköz, amelyet arra terveztek, hogy mikrofluidikai környezetben működve, az ott található sok sejt közül egyet kiválasszon, azt megragadja és szállítsa anélkül, hogy azt a legkisebb erővel is összeszorítaná. A szerkezet két félgömbből áll, amelyek körülbelül kétszer akkorák, mint a sejt, és amelyeket a csipesszel szét lehet nyitni, ezáltal kényelmesen körbefoghatják a sejtet. A sejt ezután a felhasználó által kiválasztott tetszőleges területre elszállítható és ott elengedhető. A második típus az elsőnek bizonyos szempontból az ellenkezője: úgy tervezték, hogy a sejtet szilárdan tartsa, ami a gyakorlatban legfeljebb kb. 50 nanométeres fluktuációt jelent. Ez az eszköz arra szolgál, hogy a sejtet mikroszkópos képalkotáshoz mozdulatlanul tartsa. További hatalmas előnye, hogy vele a sejt szabadon elforgatható, ezáltal arról tetszőleges irányból lehet mikroszkópos felvételeket rögzíteni. A mikroeszköz képességeit a 3D fluoreszcencia képalkotás felbontásának javításával demonstrálták. Végül, a harmadik típusú mikrorobot tulajdonképpen egy szerkezetpár, amelyet térben és időben nagyon pontosan kontrollált módon előidézhető sejt-sejt kölcsönhatásokhoz terveztek. A pár egyik tagja az egyik sejtet tartja szilárdan, míg a másik, optikai csipesszel mozgatott tagja a másik sejtet manőverezi az elsőhöz, végül egymáshoz nyomja őket. Ennek az eljárásnak a fő előnye, hogy vele a kölcsönhatás kezdete másodperc pontossággal meghatározható, ellentétben azokkal a kísérletekkel, ahol a kölcsönhatás egy kémcsőben a sejtszuszpenziók egyszerű összekeverésével véletlenszerűen indul be. Az eszközökkel így lehetővé válik a két sejt reakciójának pontos időbeli követése, ami elengedhetetlen működésük részleteinek feltárásához akár molekuláris szinten is. A kutatók szerint a bemutatott optikai csipeszen és a specifikusan a feladathoz tervezett mikroeszközökön alapuló módszer lehetővé teszi a nem letapadó egyedi sejtek korábbiaknál hatékonyabb vizsgálatát, és igazolja, hogy a rugalmas anyagokon alapuló mikrorobotika hatalmas potenciállal rendelkezik a biológiai alkalmazásokban is.
A mikrorobotok működéséről az X oldalán elérhető egy videó: https://x.com/AdvSciNews/status/1800468454199181564
Borítókép forrása: <a href="https://www.freepik.com/free-vector/molecule-abstract-wire-low-poly-polygonal-wire-frame-mesh-looks-like-constellation-dark-blue-night-sky-with-dots-stars-illustration-background_26601007.htm#query=molecular%20biophysics&position=49&from_view=keyword&track=ais_user&uuid=c14b5e08-a736-4f10-a932-228e9073d4f2">Image by WangXiNa</a> on Freepik