Ny læge, forskningsværktøj muligt ved sondering af cellemekanik

(PhysOrg.com) - Forskere gør fremskridt med at udvikle et system, der måler levende cellers mekaniske egenskaber, en teknologi, der kan bruges til at diagnosticere menneskelig sygdom og bedre forstå biologiske processer.

Holdet brugte et instrument kaldet et atomkraftmikroskop til at studere tre tydeligt forskellige typer celler for at demonstrere metodens potentielt brede anvendelser, sagde Arvind Raman, en Purdue University professor i maskinteknik.

For eksempel, Teknikken kunne bruges til at studere, hvordan celler klæber til væv, som er kritisk for mange sygdomme og biologiske processer; hvordan celler bevæger sig og ændrer form; hvordan kræftceller udvikler sig under metastasering; og hvordan celler reagerer på mekaniske stimuli, der er nødvendige for at stimulere produktionen af ​​vitale proteiner. Teknikken kunne bruges til at studere de mekaniske egenskaber af celler under påvirkning af antibiotika og lægemidler, der undertrykker kræft, for at lære mere om de involverede mekanismer.

Resultaterne er blevet lagt online i journalen Natur nanoteknologi og vil blive vist i decemberudgaven. Arbejdet involverer forskere fra Purdue og University of Oxford.

"Der har været en voksende erkendelse af mekanikkens rolle i cellebiologi og faktisk en stor indsats i at bygge modeller for at forklare, hvordan celler føles, reagere og kommunikere mekanisk både i sundhed og sygdom, "sagde Sonia Contera, en papirmedforfatter og direktør for Oxford Martin Program on Nanotechnology og en akademisk stipendiat ved Oxford fysik. "Med dette papir, vi giver et værktøj til at begynde at løse nogle af disse spørgsmål kvantitativt:Dette er et stort skridt."

Et atomkraftmikroskop bruger en lille vibrerende sonde til at give information om materialer og overflader på skalaen af ​​nanometer, eller milliardtedele af en meter. Fordi instrumentet gør det muligt for forskere at "se" objekter, der er langt mindre end muligt ved hjælp af lysmikroskoper, det kunne være ideelt til at "kortlægge" de mekaniske egenskaber af de mindste cellulære strukturer.

"Kortene identificerer de mekaniske egenskaber ved forskellige dele af en celle, om de er bløde eller stive eller squishy, " sagde Raman, som arbejder sammen med ph.d.-studerende Alexander Cartagena og andre forskere. "Nøglepunktet er, at nu kan vi gøre det ved høj opløsning og højere hastighed end konventionelle teknikker."

Højhastighedsevnen gør det muligt at se levende celler og observere biologiske processer i realtid. En sådan teknik giver håb om at udvikle et "mekanobiologibaseret" assay til at komplementere standard biokemiske assays.

"Atomkraftmikroskopet er det eneste værktøj, der giver dig mulighed for at kortlægge de mekaniske egenskaber - tag et fotografi, om man vil - af en levende celles mekaniske egenskaber, "Sagde Raman.

Imidlertid, eksisterende teknikker til at kortlægge disse egenskaber ved hjælp af atomkraftmikroskopet er enten for langsomme eller har ikke høj nok opløsning.

"Denne innovation overvinder disse begrænsninger, mest gennem forbedringer i signalbehandling, " sagde Raman. "Du behøver ikke nyt udstyr, så det er en økonomisk måde at øge pixels pr. minut og få kvantitativ information. Mest vigtigt, vi anvendte teknikken på tre meget forskellige slags celler:bakterier, menneskelige røde blodlegemer og rottefibroblaster. Dette demonstrerer dets potentielle brede anvendelighed inden for medicin og forskning. "

Teknikken er næsten fem gange hurtigere end standard atomic force mikroskop teknikker.