Специалисты из Stanford Medicine заявили о создании устройства, применяющего электромагнитную левитацию для деликатной сортировки живых клеток без физического взаимодействия. Разработанная исследователями технология под названием Electro-LEV может существенно изменить методы, используемые учеными и врачами, для выделения и анализа клеток, и потенциально привести к разработке новых методов лечения онкологических заболеваний, позволяющих отделять раковые клетки от здоровых. Описанное в недавней публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences нововведение также может открыть новые возможности для разделения живых и мертвых клеток с минимальным воздействием на образцы.
Классические способы разделения клеток обычно включают использование флуоресцентных меток, антител, центрифугирования или химической обработки, что может негативно сказаться на целостности деликатных клеток. В отличие от этих подходов, Electro-LEV осуществляет сортировку клеток, основываясь на их плотности и магнитной проницаемости, то есть на том, как клетки реагируют на магнитные поля. Этот процесс создает впечатление воздействия «невидимой силы», которая, как недавно отметили в MIT News, направляет их движение почти призрачным образом.
Система Electro-LEV использует принцип магнитной левитации, который был заложен в основу разработки Доормус более десяти лет назад. В 2015 году ее лаборатория показала, что практически любую клетку можно удерживать в воздухе с помощью точно откалиброванного магнитного поля. По словам Дурмус, это происходит благодаря тому, что «все на Земле обладает определенными магнитными характеристиками.
В экспериментальной установке пара миниатюрных магнитов, сопоставимых по размеру с жевательной резинкой, расположены одноименными полюсами друг к другу, а между ними установлен узкий стеклянный капилляр. Эта небольшая стеклянная деталь выступает в роли канала для парамагнитного раствора, а противоположно направленные магнитные поля перемещают клетки внутри, пока каждая из них не достигнет своей естественной точки равновесия, обусловленной ее плотностью. Магнитные силы в системе невелики, приблизительно 0,4 Тесла, однако благодаря близости магнитов – всего один миллиметр – формируется очень сильный градиент магнитного поля, то есть резкое изменение его силы на небольшом расстоянии. Именно это и является ключевым элементом технологии. Для сравнения, аппараты магнитно-резонансной томографии, используемые в медицинских учреждениях, обычно работают с более высокими значениями напряженности поля – порядка 7 Тесла, но их магниты находятся на большем расстоянии друг от друга, что приводит к значительно меньшим градиентам. Благодаря компактной конструкции, система Electro-LEV обеспечивает прецизионное управление положением каждой клетки.
Новая версия Electro-LEV превосходит предыдущий дизайн благодаря использованию электромагнитных катушек для обоих магнитов. Изменяя силу электрического тока, протекающего через эти катушки, разработчики могут в реальном времени точно настраивать создаваемые магнитные силы. Это позволяет с высокой точностью управлять клетками для их разделения. Клетки, находящиеся на различной высоте, затем могут направляться в верхние или нижние выходные отверстия по мере их перемещения из устройства. В случае неправильной сортировки клеток, простая корректировка тока позволяет оперативно устранить ошибку, что делает процесс более удобным для пользователя.
При проведении экспериментов с использованием технологии Electro-LEV были протестированы разнообразные типы клеток, в том числе клетки рака молочной железы и легких, фибробласты и даже лейкоциты. Исследователи также оценили возможность устройства удалять нежизнеспособные клетки из образцов – это необходимое условие для точного секвенирования РНК и терапии стволовыми клетками. Нежизнеспособные клетки поглощают больше парамагнитного раствора, становясь более плотными и оседая ниже, чем живые. Начиная с образцов, содержащих клетки, находящиеся в предсмертном состоянии, но все еще проявляющие признаки жизнеспособности, Electro-LEV обеспечил очистку до 93% живых клеток.
Ученые также обнаружили, что группы раковых клеток демонстрируют более быструю реакцию на изменения магнитного поля по сравнению с изолированными клетками. Этот факт может предоставить возможность разработки нового метода выявления агрессивных опухолевых образований, которые, по мнению исследователей, связаны с метастазированием. Кроме того, скорость левитации может служить показателем для наблюдения за состоянием подобных раковых кластеров.
Electro-LEV способен не только на сортировку раковых клеток, но и на решение других задач, таких как формирование микробных сообществ, сборка искусственно выращенных органоидов и даже управление микророботами. Это универсальная и многофункциональная платформа, и, по мнению разработчиков, в будущем появятся новые области применения, которые пока не были предвидены. В целом, заменяя механическое воздействие на магнитное, работа команды Доормус с Electro-LEV предоставляет исследователям более бережный, легко адаптируемый и потенциально революционный метод изучения и сортировки микроскопических организмов с помощью нового подхода к клеточной левитации.