Hurtig, ikke-invasiv teknik til sondering af celler kan afsløre sygdom

En celles stivhed eller elasticitet kan afsløre meget om, hvorvidt cellen er rask eller syg. Kræftceller, for eksempel, er kendt for at være blødere end normalt, mens astma-ramte celler kan være ret stive.

Bestemmelse af cellers mekaniske egenskaber kan således hjælpe læger med at diagnosticere og spore udviklingen af ​​visse sygdomme. Nuværende metoder til at gøre dette involverer direkte sondering af celler med dyre instrumenter, såsom atomkraftmikroskoper og optiske pincet, som gør direkte, invasiv kontakt med cellerne.

Nu har MIT-ingeniører udtænkt en måde at vurdere en celles mekaniske egenskaber blot ved observation. Forskerne bruger standard konfokal mikroskopi for at nulstille konstanten, jiggling-bevægelser af en celles partikler – afslørende bevægelser, der kan bruges til at tyde en celles stivhed. I modsætning til en optisk pincet, holdets teknik er ikke-invasiv, løber ringe risiko for at ændre eller beskadige en celle, mens dens indhold sonderes.

"Der er flere sygdomme, som visse typer kræft og astma, hvor stivhed af cellen vides at være forbundet med sygdommens fænotype, " siger Ming Guo, briten og Alex d'Arbeloff Karriereudviklingsassistent ved MIT's afdeling for maskinteknik. "Denne teknik åbner virkelig en dør, så en læge eller biolog, hvis de gerne vil kende cellens materielle egenskaber meget hurtigt, ikke-invasiv måde, kan nu gøre det."

Guo og kandidatstuderende Satish Kumar Gupta har offentliggjort deres resultater i Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Omrøringsskeer

I sin ph.d.-afhandling fra 1905, Albert Einstein udledte en formel, kendt som Stokes-Einstein ligningen, der gør det muligt at beregne et materiales mekaniske egenskaber ved at observere og måle bevægelsen af ​​partikler i det pågældende materiale. Der er kun en hake:Materialet skal være "i ligevægt, " hvilket betyder, at enhver partikelbevægelse skal skyldes virkningen af ​​materialets temperatur snarere end nogen ydre kræfter, der virker på partiklerne.

"Du kan tænke på ligevægt som en varm kop kaffe, " siger Guo. "Alene kaffens temperatur kan få sukker til at sprede sig. Hvis du nu rører kaffen med en ske, sukkeret opløses hurtigere, men systemet er ikke længere drevet udelukkende af temperaturen og er ikke længere i ligevægt. Du ændrer miljøet, lægge energi i og få reaktionen til at ske hurtigere."

Inden for en celle, organeller såsom mitokondrier og lysosomer vakler konstant som reaktion på cellens temperatur. Imidlertid, Guo siger, der er også "mange miniskeer", der rører det omgivende cytoplasma op, i form af proteiner og molekyler, en gang imellem, skubbe aktivt vibrerende organeller rundt som billardkugler.

Den konstante sløring af aktivitet i en celle har gjort det svært for videnskabsmænd at gennemskue, blot ved at kigge, hvilke bevægelser skyldes temperatur, og hvilke skyldes mere aktive, "ske-lignende" processer. Denne begrænsning, Guo siger, har "dybest set lukket døren for at bruge Einsteins ligning og rene observation til at måle en celles mekaniske egenskaber."

Ramme for ramme

Guo og Gupta formodede, at der kunne være en måde at drille temperatur-drevne bevægelser i en celle ved at se på cellen inden for en meget snæver tidsramme. De indså, at partikler, der udelukkende aktiveres af temperatur, udviser en konstant slingrende bevægelse. Lige meget hvornår du ser på en temperaturdrevet partikel, det skal nok bevæge sig.

I modsætning, aktive processer, der kan banke en partikel rundt i en celles cytoplasma, gør det kun lejlighedsvis. At se sådanne aktive bevægelser, de antog, ville kræve at se på en celle over en længere tidsramme.

For at teste deres hypotese, forskerne udførte eksperimenter på humane melanomceller, en linje af kræftceller, de valgte for deres evne til at vokse nemt og hurtigt. De sprøjtede små polymerpartikler ind i hver celle, sporede derefter deres bevægelser under et standard konfokalt fluorescerende mikroskop. De varierede også cellernes stivhed ved at indføre salt i celleopløsningen - en proces, der trækker vand ud af cellerne, gør dem mere komprimerede og stive.

Forskerne optog videoer af cellerne ved forskellige billedhastigheder og observerede, hvordan partiklernes bevægelser ændrede sig med cellestivhed. Da de så cellerne ved frekvenser højere end 10 billeder i sekundet, de observerede for det meste partikler, der vaklede på plads; disse vibrationer så ud til at være forårsaget af temperatur alene. Kun ved langsommere billedhastigheder opdagede de mere aktive, tilfældige bevægelser, med partikler, der skyder over større afstande i cytoplasmaet.

For hver video, de sporede en partikels vej og anvendte en algoritme, de havde udviklet til at beregne partiklens gennemsnitlige rejseafstand. De tilsluttede derefter denne bevægelsesværdi til et generaliseret format af Stokes-Einstein-ligningen.

Guo og Gupta sammenlignede deres beregninger af stivhed med faktiske målinger, de lavede ved hjælp af en optisk pincet. Deres beregninger matchede kun målinger, når de brugte bevægelsen af ​​partikler fanget ved frekvenser på 10 billeder pr. sekund og højere. Guo siger, at dette tyder på, at partikelbevægelser, der forekommer ved høje frekvenser, faktisk er temperaturdrevet.

Holdets resultater tyder på, at hvis forskere observerer celler med hurtige nok billedhastigheder, de kan isolere partikelbevægelser, der udelukkende er drevet af temperatur, og bestemme deres gennemsnitlige forskydning - en værdi, der direkte kan tilsluttes Einsteins ligning for at beregne en celles stivhed.

"Nu, hvis folk vil måle de mekaniske egenskaber af celler, de kan bare se dem, " siger Guo.

Holdet arbejder nu med læger på Massachusetts General Hospital, der håber at kunne bruge det nye, ikke-invasiv teknik til at studere celler involveret i kræft, astma, og andre tilstande, hvor celleegenskaber ændrer sig, efterhånden som en sygdom skrider frem.

"Folk har en idé om, at strukturen ændrer sig, men læger ønsker at bruge denne metode til at vise, om der er en ændring, og om vi kan bruge dette til at diagnosticere disse tilstande, " siger Guo.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.