Los estudiantes graduados Mingde 'Jack' Zheng y Joseph Sherba han desarrollado una novedosa plataforma microfluídica para monitorear la electroporación y el suministro molecular a nivel de células individuales como parte de un equipo colaborativo de investigación dirigido por los profesores Jeffrey Zahn y David Shreiber en elDepartamento de Ingeniería Biomédica y Profesores Hao Lin y Jerry Shan en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de Rutgers, Universidad Estatal de Nueva Jersey, en Piscataway, NJ. La electroporación es un enfoque no viral ampliamente utilizado para administrarvectores extraños en muchos tipos de células diferentes. Cuando una célula se expone a un campo eléctrico de la fuerza apropiada, la membrana sufre una ruptura eléctrica reversible, donde se forman poros transitorios en la membrana, lo que permite el transporte molecular dentro de la célula.-la entrega de biomoléculas y terapéutica permite la capacidad de estudiar e diseñar procesos celulares fundamentales y, por lo tanto, ha sido un importanteenfoque en investigación biomédica y medicina clínica.Según BioMarket Trends, el mercado de electroporación representa actualmente el segundo segmento más grande del mercado de tecnología de transfección total, ~ $ 200 millones en términos de ingresos, detrás de la tecnología basada en lípidos.
Los consumidores en el mercado incluyen aquellos en investigación biomédica en laboratorios académicos e industriales y compañías de biotecnología y ciencias de la vida que tienen como objetivo expresar moléculas específicas en una variedad de células. Además, existe un mayor interés en el uso clínico de la tecnología de transfección, especialmentecon el advenimiento de la tecnología CRISPR para la edición de genes.
La transfección celular exitosa representa el paso limitante de la velocidad en numerosos flujos de trabajo de investigación biomédica y bioproducción que incluyen: terapias basadas en células, detección de interferencia de ARN y búsqueda de células madre. Los desafíos incluyen una eficiencia de transformación variable y deficiente, especialmente con dificultades de transformacióntransfectar líneas celulares tales como líneas celulares primarias y líneas de células madre. Uno de los cuellos de botella tradicionales para la electroproporación ha sido obtener un suministro eficiente sin comprometer la viabilidad celular. La electroporación exitosa implica la optimización de una amplia gama de campos eléctricos y parámetros de amortiguación quese ven afectados por el tipo de célula y la carga molecular para lograr un equilibrio ideal de la eficiencia de la transfección cuánto se entrega con el daño producido cuántas células se dañan o mueren. Los protocolos a menudo se identifican mediante costosos ensayos y errores, y puede variar significativamente de un laboratorio a otro y de una aplicación a otra. La investigación interdisciplinaria de Rutgers yEl equipo de desarrollo se está centrando en la investigación traslacional en el desarrollo de la tecnología de electroporación de próxima generación para la entrega de alta eficiencia en las células con una viabilidad superior.
La novedad de este informe es la detección de impedancia de la permeabilización de la membrana en un entorno de flujo continuo con una sensibilidad sin precedentes, un logro no informado previamente en la literatura. Al monitorear los cambios en las características eléctricas de las células individuales cuando se expone a corto,campos eléctricos de alta resistencia, el equipo pudo identificar cuándo una célula se permeabilizó y determinar las condiciones que condujeron al suministro molecular al tiempo que preserva la viabilidad celular. Esta tecnología acelerará el proceso de transfección al eliminar el ensayo y errordesarrollo del protocolo de electroporación de manera segura y efectiva en todos los tipos de células y aplicaciones.
La plataforma de microelectroporación se realizó siguiendo un modelo teórico extenso. El equipo diseñó y fabricó un dispositivo microfluídico que consiste en una 'zona de electroporación' microfluídica convergente y un conjunto de electrodos capaces de pulsar la celda que pasa en tránsito y detectar elgrado de permeabilización de la membrana celular. El microchip de electroporación se integra con un algoritmo LabVIEW personalizado que monitorea continuamente el canal para la entrada de una célula en la zona de electroporación. Al detectar una célula, se aplica un pulso eléctrico prescrito a la célula.y la señal eléctrica se controla para detectar cambios en la permeabilización de la membrana, lo que finalmente determina el potencial de carga terapéutica.
Se realizó un estudio paramétrico generalizado alterando tanto la intensidad del campo eléctrico como la duración del pulso y midiendo eléctricamente la respuesta de impedancia de la membrana inmediatamente después de la aplicación del pulso. El grado de permeabilización de la membrana dependía de la intensidad de la aplicación del pulso, con un efecto significativoaumento de la permeabilización que se produce con una duración de pulso de 0,8 a 1 ms. Esta tendencia también se verificó mediante el monitoreo óptico de la entrega de una sonda fluorescente, yoduro de propidio, que es impregnante a las células con membranas intactas pero se transporta a la célula al comprometerla membrana por electroporación. También se demostró que las tendencias de viabilidad celular dependen de la fuerza y la duración del pulso que se aplica.
En adelante, el equipo de Rutgers busca continuar el desarrollo de esta tecnología en un sistema autónomo "inteligente" que sea capaz de usar estas señales eléctricas para crear una plataforma de electroporación de nivel de celda única, controlada por retroalimentación y flujo continuo.Las mejoras en la eficiencia de la transfección permitirán que los enfoques de transformación celular basados en electroporación se vuelvan más comunes y suplanten los enfoques basados en virus. Visualizan una línea de productos compuesta por una estación de acoplamiento de equipo base y un software que aplica los pulsos eléctricos y monitorea la permeabilización en tiempo real usando"chips" desechables para el manejo de células y microfluídica. El resultado final será una línea de productos fácil de usar, reproducible y robusta, que abrirá una amplia gama de aplicaciones por parte de los laboratorios de investigación básica, desarrolloy laboratorios de producción en el sector de la biotecnología y, en última instancia, entidades clínicas interesadas en la edición o transfección directa de genes para trasplanteson y terapias celulares.
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Materiales proporcionados por Científico mundial . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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