Şeffaf Ultrason Çipleri ile Hücre Stimülasyonu ve Görüntüleme

Ultrason taramaları hücreleri uyarmak ve hücre fonksiyonunu yönlendirmek için de kullanılabilir. Bir araştırma ekibi biyomedikal uygulamalar için teknoloji kullanımında daha kolay ve etkili bir yol geliştirdi. Ekip, mikroskop lamına benzeyen ve kolay görüntüleme için herhangi bir optik mikroskoba yerleştirilebilen şeffaf, biyolojik olarak uyumlu bir ultrason dönüştürücü çip oluşturmuştur. Hücreler doğrudan dönüştürücü çipin üzerinde kültürleniyor, uyarılabiliyor ve hücrelerdeki değişiklikler optik mikroskop ile görüntülenebilmektedir.

Royal Society of Chemistry Lab on a Chip dergisinin Aralık 2021 sayısının kapağında yer alan makalede açıklanan teknolojinin gelecekteki uygulamaları kök hücre, kanser ve sinirbilim araştırmalarını etkileyebilir. Penn State biyomedikal mühendisliği doçenti ve baş araştırmacı Kothapalli, 'Geleneksel ultrason stimülasyon deneylerinde hücre kültürü kabı su banyosuna yerleştirilir ve ultrason dalgaları hacimli bir ultrason dönüştürücüsü ile su aracılığıyla hücrelere yönlendirilir. Bu teknik tekrarlanabilir sonuçlar sağlamayan karmaşık bir düzenektir. Bir grup diğerinin aldığı sonuçlara aynı parametreleri kullanıldığında bile ulaşamaz. Çünkü hücrelerin suda hayatta kalmasını, uyarılmasını ve bunların görüntülenmesini etkileyebilecek birkaç faktör söz konusu' demiştir.

Kothapalli ve ekibi piezoelektrik lityum niyobattan yapılmış şeffaf bir dönüştürücü platformu oluşturarak ultrason stimülasyon düzeneğini minyatür hale getirmiştir. Piezoelektrik materyaller elektrik voltajı uygulandığında mekanik enerji üretmektedir. Çipin biyolojik olarak uyumlu yüzeyi, hücrelerin doğrudan dönüştürücü üzerinde kültürlenmesine ve birkaç hafta boyunca tekrarlanan stimülasyon deneyleri için kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bir güç kaynağına bağlandığında bu dönüştürücü, hücreleri titreştiren ve iyon giriş ve çıkışını tetikleyen ultrason dalgaları yaymaktadır.

Kurulumu test etmek için Kothapalli ve ekibi, çip üzerinde mesane kanseri hücresi kültürü yaptıktan sonra hücrelere floresan kalsiyum göstergeleri yerleştirmiştir; böylece stimülasyon sırasında mikroskop altında hücre kalsiyum sinyali değişikliklerini net bir şekilde izlenebilmiştir. Penn State Kanser Enstitüsü ile ortak çalışan Kothapalli, 'Hücreler doğrudan şeffaf dönüştürücü yüzeyinde olduklarından geleneksel yaklaşımlardan farklı olarak tek bir ultrason uyarısı ile tüm hücrelerin aynı anda eşit şekilde uyarıldığını doğrulayabiliriz. Önceki süreçlerin aksine, tek bir görüş alanında aynı anda birçok hücrenin yüksek çözünürlüklü görüntülerini yakın mesafeden izleyebiliyoruz' demiştir.

Araştırmacılar, mesane kanseri hücre çalışması ile yeni dönüştürücü düzenek kavramı için kanıt oluşturmuş olmuştur. Ancak, Kothapalli'ye göre bu bulgular gelecekte kök hücre farklılaşması, mekanik duyarlı nöromodülasyon, ilaç dağılımı ve kan beyin bariyerinin açılması için genişletebilmektedir. Penn State biyomedikal mühendisliği, makine mühendisliği ve cerrahi bölümlerinde profesör olan makalenin ortak yazarı Pak Kin Wong, ‘Bu basit kurulum, bir ultrasonla hücre ve dokuları modüle etmekle ilgilenen araştırmacılar için çok değerli olacak. Odaklanmış ultrason immünoterapisi gibi yeni terapötik ultrason uygulamalarını keşfetmek için kullanılabilir’ demiştir.

Makalenin ilk yazarı ve biyomedikal mühendislik bölümünde doktora öğrencisi Haoyang Chen'e göre ultrason stimülasyon çipi düşük maliyetli, üretilmesi kolay, kompakt, ölçeklenebilir bir teknoloji. Chen 'Standart hücre kültürü yöntemlerini kullanarak çip üzerinde hücreleri büyütmek kolaydır. Bu düzenek çeşitli deneyler için kontrol edilebilir stimülasyon parametreleri sağlar ve tüm geleneksel optik mikroskop teknikleriyle görüntülenebilir' demiştir.