Diamantbaseret kvanteregistreringsmikroskop tilbyder en effektiv tilgang til at kvantificere cellulære kræfter

Celler er afhængige af konstant samspil og informationsudveksling med deres mikromiljø for at sikre deres overlevelse og udføre biologiske funktioner. Derfor er præcis kvantificering af bittesmå cellulære adhæsionskræfter, der spænder fra piconewtons til nogle få nanonewtons, afgørende for forståelsen af ​​forviklingerne ved kraftmodulation i celler.

I løbet af de sidste par årtier er der med succes udviklet forskellige metoder til måling af cellulære klæbekræfter. I øjeblikket er flere førende teknologier såsom trækkraftsmikroskopi (TFM), optisk/magnetisk pincet og molekylær spændingsbaseret fluorescensmikroskopi (MTFM) i vid udstrækning brugt til måling af cellulære kræfter.

Imidlertid har disse teknikker bemærkelsesværdige begrænsninger med hensyn til følsomhed og datafortolkning, hvilket hæmmer vores evne til at forstå mekanobiologi. Derudover er MTFM-teknikken hæmmet af den stokastiske natur af fluorofor-fotoblegning.

Derfor er det vigtigt at udvikle en ny teknik, der nøjagtigt kan måle celleadhæsive kræfter på en fluorescerende etiketfri måde. Dette er afgørende for at fremme mekanobiologien.

Et projekt ledet af professor Zhiqin Chu fra Department of Electrical and Electronic Engineering ved University of Hong Kong (HKU) og professor Qiang Wei fra Sichuan University anvendte etiketfri kvantesensorteknologi til at måle cellulær kraft på nanoskala. Dette overvinder begrænsningerne ved traditionelle cellulære kraftapparater og giver ny indsigt i at studere cellulær mekanik, herunder indflydelsen af ​​cellulære adhæsionskræfter på spredning af kræftceller.

Forskerholdet har udviklet en ny Quantum-Enhanced Diamond Molecular Tension Microscopy (QDMTM), der tilbyder en effektiv tilgang til at studere celleadhæsionskræfter. Sammenlignet med cellekraftmålingsmetoder, der anvender fluorescerende prober, har QDMTM potentialet til at overvinde udfordringer såsom fotoblegning, begrænset følsomhed og tvetydighed i datafortolkning. Ydermere kan QDMTM-sensorer renses og genbruges, hvilket øger den absolutte nøjagtighed ved sammenligning af celleadhæsionskræfter på tværs af forskellige prøver.

Den nye metode ændrer fundamentalt måden at studere vigtige emner såsom celle-celle eller celle-materiale interaktioner, med betydelige implikationer for biofysik og biomedicinsk teknik. Resultaterne er blevet offentliggjort i Science Advances , i en artikel med titlen "Quantum-enhanced diamond molecular tension microscopy for quantification cellular forces."

Forskerholdet udviklede QDMTM ved at kombinere forlængelsen af ​​polymer (der fungerer som en krafttransducer) induceret af cellulære kræfter med den langsgående afslapningstid for NV. De unikke kvanteegenskaber ved NV-centerelektronspind i diamant tjener som det grundlæggende grundlag for den hidtil usete følsomhed og præcision af QDMTM.

Det unikke ved denne innovation ligger i anvendelsen af ​​en "krafttransducer", som er en kraftreagerende polymer, der er i stand til at konvertere mekaniske signaler til magnetiske signaler. Ved at måle ændringerne i NV-spin-relaksationstiden forårsaget af den magnetiske støj, kan de adhæsive kræfter, der udøves af celler på "krafttransduceren", bestemmes. Eksisterende måleteknikker er ikke i stand til effektivt at måle de stokastiske magnetiske signaler på nanoskalaen.

Den innovative QDMTM-teknik tilbyder en effektiv tilgang til at studere celleadhæsionskræfter. Gennem deres undersøgelse var forskerne i stand til med succes at differentiere celler i forskellige adhæsionstilstande og fandt ud af, at størrelsen af ​​cellulære kræfter i forskellige celleregioner stemte overens med de tidligere resultater.

Dette tyder på, at QDMTM-metoden er i stand til nøjagtigt at måle celleadhæsionskræfter. Den næste fase af deres forskning fokuserer på at udvide kvantesensoren fra bulk-diamant til nanoskala-diamantpartikler, hvilket vil give mulighed for måling af cellekræfter i enhver retning.

Flere oplysninger: Feng Xu et al., Quantum-enhanced diamant molekylær spændingsmikroskopi til kvantificering af cellulære kræfter, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi5300

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af The University of Hong Kong