Vejning af cellen:Måling for første gang, hvordan enkelte celler akkumulerer masse (m/ video)

For første gang har forskere målt, hvor meget individuelle celler vokser i realtid. Det lyder måske ligetil, men det er faktisk en skræmmende teknisk bedrift. Det er som at måle vægten af ​​et lille sandkorn under et elektronmikroskop, da mikroskopisk vand fordamper omkring det, mens selve sandet konstant gennemgår en subtil ændring i den kemiske sammensætning. Til sammenligning er disse eksperimenter beslægtet med at måle væksten af ​​en menneskelig baby med en præcisionsskala, der er følsom nok til at detektere et enkelt sandkorn under en 9-måneders drægtighed. Og alligevel har dette dybe implikationer for vores forståelse af menneskers sundhed, fordi disse målinger viser, hvordan celler bruger energi og reagerer på deres miljø.

"Dette vil give os mulighed for at studere alle mulige grundlæggende biologiske processer som en funktion af cellestørrelse," siger Daniel Needleman, en fysiker og bioingeniør ved University of California, Berkeley, og medleder af forskerholdet. "Nu hvor vi har muligheden for at foretage disse målinger, kan vi faktisk spørge:Hvor variabel er væksten af ​​en celle? Hvor følsom er den over for forstyrrelser? Hvordan afhænger væksten af ​​de næringsstoffer eller det miljø, som cellen befinder sig i? Hvad sker der med væksten, når celler bliver kræftfremkaldende og holder op med at reagere på normale vækstsignaler?"

"Dette er virkelig en teknisk milepæl inden for enkeltcellebiologi," tilføjer Nevan Krogan, en kvantitativ biolog ved University of California, San Francisco (UCSF) og medleder af forskerholdet. "Det vil være transformativt for hele samfundet og åbne nye muligheder for at studere grundlæggende biologi og sygdomsmekanismer på enkeltcelleniveau."

Needleman og Krogan er co-senior forfattere af en undersøgelse, der beskriver platformen og dens første resultater, offentliggjort i dag (12. maj 2022) i tidsskriftet Cell. Mens en håndfuld grupper har målt massen af ​​populationer af celler før, udviklede denne gruppe den første platform til at veje enkeltceller i realtid, mens de vokser.

De fandt ud af, at væksthastigheden af ​​en individuel celle er konstant; det vil sige, at dens masse stiger støt over tid. Interessant nok betyder dette, at en celles stofskifte pr. masseenhed falder, efterhånden som den vokser. Med andre ord er en mindre celle mere effektiv til at omdanne energi fra sit miljø til vækst end en større celle. Desuden viste forskerne, at deres metoder kunne bruges til at måle effektiviteten, hvormed celler optager og omdanner eksterne næringsstoffer til vækst.

”Som kvantitativ biolog er jeg blevet passioneret omkring at bruge præcise, kvantitative tilgange til at studere problemer, der indtil for nylig var for udfordrende eller umulige at måle. For at yde et bidrag skal man bygge disse nye måleværktøjer,” siger Krogan. "Denne indsats krævede, at vi udviklede nye eksperimentelle og beregningsmæssige tilgange og samler forskere med forskellig baggrund. Det ville ikke have været muligt, hvis vi havde arbejdet isoleret."

Vægt det uvejelige

Den nye platform - kaldet mikrofluidisk vejning - kombinerer mikrofluidik, som muliggør præcis manipulation af væsker på submillimeterskalaen, med kvantitativ fasebilleddannelse, en relativt ny mikroskopiteknik, der direkte måler massen af ​​et objekt baseret på, hvor meget det bøjer lyset.

"Den første tekniske udfordring er simpelthen at manipulere og fange celler," forklarer Daniel Fletcher, en bioingeniør ved UC Berkeley og en medforfatter af undersøgelsen, hvis laboratorium udviklede den mikrofluidiske platform. "Du vil ikke have, at hundredtusindvis af celler løber gennem dit system, for så ved du ikke, hvilken celle du måler. Men du vil heller ikke måle én celle ad gangen, for det ville tage for lang tid. Så vi fanger ti eller hundreder af celler ad gangen og flyder medier over dem, så de får de næringsstoffer, de har brug for for at overleve, men de forbliver fanget der. Derefter kom billeddannelsesteamet ind for at optimere og implementere kvantitativ fasebilleddannelse."

For at opnå kvantitativ fasebilleddannelse skinnede forskerne en lysstråle gennem en mikrokanal og ind på cellerne og fangede et billede af lyset, da det dukkede op på den anden side. Hvis der ikke var nogen celle i kanalen, ville lysets bølgefront være uforstyrret. Men når en celle er til stede, bøjes lyset, hvilket ændrer bølgefronten en smule. Denne ændring i bølgefront kan konverteres direkte til cellens masse.

"Ved at måle faseforskydningen af ​​lyset, når det passerer gennem en celle, udleder vi materialets lokale brydningsindeks, som er direkte relateret til cellens tæthed," forklarer studiets medforfatter Aydogan Ozcan, professor i elektroteknik. og datalogi og direktør for Integrated Optics Lab ved UCLA. "Da vi kender den kemiske sammensætning af cellen og tætheden af ​​dens komponenter, gør dette os i stand til præcist at bestemme cellens masse."

"Disse målinger er virkelig følsomme," siger Needleman. "Vi kan måle ændringer i massen af ​​en enkelt celle svarende til, at mindre end 1.000 vandmolekyler tilsættes cellen."

Efterhånden som celler i mikrofluidkammeret absorberede næringsstoffer fra deres omgivelser, udvidede de sig og voksede i masse som forventet.

"Men vi bemærkede, at væksthastigheden ikke ændrede sig, da cellerne blev større," siger Needleman. "Det betyder, at den metaboliske motor inde i en lille celle faktisk er mere effektiv til at omdanne energi til vækst end motoren i en større celle."

Holdet håber, at andre forskere vil adoptere og yderligere forfine deres teknologi til at studere væksten af ​​mange forskellige typer celler under forskellige forhold og miljøer, herunder sygdomstilstande.