Ученые из Stanford Medicine сообщили о разработке нового устройства, которое использует электромагнитную левитацию для бережной сортировки живых клеток без необходимости физического контакта. Этот метод, названный исследователями Electro-LEV, имеет потенциал изменить подходы ученых и клиницистов к выделению и изучению клеток и может привести к созданию новых методов лечения рака, позволяя отделять раковые клетки от здоровых. Инновация, описанная в недавней статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, также может привести к новым способам разделения живых и мертвых клеток с минимальным стрессом для образцов.
Традиционные методы сортировки клеток основаны на использовании флуоресцентных меток, антител, центрифуг или химической обработки, которые могут повредить хрупкие клетки. В отличие от них, Electro-LEV сортирует клетки на основе их плотности и магнитной восприимчивости, то есть того, как клетки взаимодействуют с магнитными полями. Результат напоминает действие «невидимой силы», которая направляет их движение почти призрачным образом, как недавно описали в MIT News.
Новая система Electro-LEV основана на простом принципе магнитной левитации, который лег в основу системы, разработанной Доормус более десяти лет назад. Еще в 2015 году ее лаборатория продемонстрировала, что практически любую клетку можно левитировать в тщательно настроенном магнитном поле. Это происходит потому, что «все на Земле обладает некоторыми внутренними магнитными свойствами», как объяснила Дурмус.
В экспериментальной установке пара небольших магнитов, сравнимых по размеру с жевательной резинкой, размещена одноименными полюсами друг к другу, а между ними расположен узкий стеклянный капилляр. Эта небольшая стеклянная деталь служит каналом, по которому течет парамагнитный раствор, а противонаправленные магнитные поля толкают и тянут клетки внутри, пока каждая не достигнет своей естественной точки равновесия, зависящей от ее плотности. Магнитные силы в системе небольшие, около 0,4 Тесла, но благодаря тому, что магниты расположены всего в миллиметре друг от друга, создается очень сильный градиент магнитного поля, то есть скорость изменения его силы на расстоянии. Именно в этом заключается «трюк» технологии. Для сравнения, аппараты МРТ в больницах обычно работают на гораздо более высоких напряженностях поля — около 7 Тесла, но их магниты разнесены дальше друг от друга, что дает гораздо меньшие градиенты. Используя компактную геометрию, система Electro-LEV обеспечивает точный контроль над положением каждой клетки.
Новая версия Electro-LEV значительно улучшает предыдущий дизайн за счет введения электромагнитных катушек для обоих магнитов. Регулируя электрический ток, проходящий через эти катушки, команда может точно настраивать генерируемые магнитные силы в реальном времени. Это позволяет очень точно манипулировать клетками для их дальнейшего разделения. Клетки, левитирующие на разных высотах, затем могут направляться в верхние или нижние выходные отверстия по мере вытекания из устройства. Если клетки сортируются неправильно, простая регулировка тока позволяет быстро это исправить, делая процесс более удобным для пользователя.
В ходе экспериментов с помощью Electro-LEV были протестированы различные типы клеток, включая клетки рака молочной железы и легких, фибробласты и даже белые кровяные клетки. Команда также оценила способность устройства удалять мертвые клетки из образцов — важный шаг для точного РНК-секвенирования и терапии стволовыми клетками. Мертвые клетки поглощают больше парамагнитного раствора, что делает их более плотными и заставляет левитировать ниже, чем живые клетки. Начиная с образцов, где клетки были близки к гибели, но еще проявляли признаки жизни, Electro-LEV смог очистить их до почти 93% живых клеток.
Еще одним интригующим открытием стало то, что кластеры раковых клеток реагировали на изменения магнитного поля быстрее, чем одиночные клетки. Это может предложить новый способ обнаружения агрессивных опухолевых скоплений, которые ученые связывают с метастазированием, а скорость левитации может использоваться как индикатор для мониторинга таких раковых кластеров.
Помимо сортировки раковых клеток, Electro-LEV может найти широкий спектр применений, включая организацию микробных сообществ, сборку искусственно выращенных органоидов или даже управление микророботами. Это широкая и универсальная платформа, и разработчики предполагают, что появятся новые приложения, которые они еще даже не рассматривали. В целом, используя магнетизм вместо механического воздействия, работа команды Доормус с Electro-LEV предлагает исследователям более щадящий, легко настраиваемый и потенциально революционный способ изучения и сортировки микроскопической жизни с помощью нового применения клеточной левитации.
