透明超声芯片能改善细胞刺激和成像

该团队创造了一种透明的、生物兼容的超声波换能器芯片，它类似于显微镜的玻片，可以插入任何光学显微镜中便于观察。细胞可以在换能器芯片上直接培养和刺激，细胞产生的变化可以用光学显微镜技术成像。

该论文发表在英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)的《芯片上的实验室》(Lab on a Chip)杂志上，并被选为2021年12月号的封面文章。这项技术的未来应用可能会影响干细胞、癌症和神经科学研究。

“在传统的超声波刺激实验中，一个细胞培养皿被放置在一个水浴槽中，一个笨重的超声波传感器通过水介质将超声波引导到细胞中，”宾夕法尼亚州立大学生物医学工程的首席研究员和助理教授Sri-Rajasekhar“Raj”Kothapalli说。“这是一个复杂的设置，不能提供可重复的结果:一组看到的结果，另一组没有，即使在使用相同的参数，因为有一些东西可能会影响细胞在水中的生存和刺激，以及我们如何可视化它们。”

Kothapalli和他的合作者利用压电铌酸锂材料制造了一个透明的换能器平台，从而缩小了超声波刺激装置的尺寸。压电材料在施加电压时产生机械能。芯片的生物相容性表面允许细胞直接在传感器上培养，并用于数周的重复刺激实验。

当连接到电源时，换能器发出超声波，脉冲细胞并触发离子流入和流出。为了测试这个装置，Kothapalli和他的团队在芯片上培养膀胱癌细胞。然后他们将荧光钙离子指示剂插入细胞中，让研究人员在显微镜下清楚地看到刺激过程中细胞钙离子信号的动态变化。

“由于细胞直接位于透明的传感器表面，我们可以确认所有的细胞在同一时间使用单一的超声波刺激，不像传统的方法，”Kothapalli说，他是宾夕法尼亚州立癌症研究所的一名联合雇员。“与以前的方法不同，我们可以在一个视野中同时获得许多细胞的高分辨率图像，因为我们可以从近距离观察这些细胞。”

通过膀胱癌细胞的研究，研究人员建立了新的换能器设置的概念验证。Kothapalli表示，他们可以将这些发现扩展到未来潜在的应用中，如干细胞分化、机械敏感神经调节、药物输送和血脑屏障的打开。

宾夕法尼亚州立大学生物医学工程、机械工程和外科教授、论文的合著者黄伯健(pak Kin Wong)说:“这种简单的设置对于那些对用超声波调节细胞和组织感兴趣的研究人员来说是非常宝贵的。”“它可以用于探索新型治疗性超声应用，如聚焦超声免疫治疗。”

该论文的第一作者、Kothapalli生物医学工程专业的博士生Haoyang Chen表示，这种超声刺激芯片成本低、易于制造、体积紧凑、可扩展，而且可以一次性使用和重复使用。

“用标准的细胞培养方法在芯片上培养细胞很容易，”Chen说。该装置可为各种实验提供可控的增产参数，并可以使用所有常规光学显微镜技术进行成像。”

除了Kothapalli、Wong和Chen，该项研究的其他参与者还有peter Butler，他是宾夕法尼亚州立大学生物医学工程教授，负责教育和研究生专业项目的副院长;生物医学工程研究生Ninghao Zhu, Mohamed Osman和Shubham Khandare;以及生物医学工程本科生瑞恩·比斯科维茨和刘锦云。

这项研究的部分资金由宾夕法尼亚州立癌症研究所(penn State Cancer Institute)、宾夕法尼亚州立大学(penn State)的多学科种子基金和美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供。

Journal Reference:

Haoyang Chen, Ninghao Zhu, Mohamed Osman, Ryan Biskowitz, Jinyun Liu, Shubham Khandare, peter Butler, pak Kin Wong, Sri-Rajasekhar Kothapalli. A transparent low intensity pulsed ultrasound (LIpUS) chip for high-throughput cell stimulation. Lab on a Chip, 2021; 21 (24): 4734 DOI: 10.1039/D1LC00667C