Lytte til celler:Forskere undersøger menneskelige celler med højfrekvent lyd

Lydbølger er meget udbredt i medicinsk billedbehandling, som når læger tager en ultralyd af et foster under udvikling. Nu har forskere udviklet en måde at bruge lyd til at undersøge væv i en meget mindre skala. Forskere fra universitetet i Bordeaux i Frankrig indsatte højfrekvente lydbølger for at teste stivheden og viskositeten af ​​kernerne i individuelle menneskelige celler. Forskerne forudser, at sonden i sidste ende kan hjælpe med at besvare spørgsmål, såsom hvordan celler klæber til medicinske implantater, og hvorfor raske celler bliver kræftfremkaldende.

"Vi har udviklet en ny ikke-kontakt, ikke-invasivt værktøj til at måle de mekaniske egenskaber af celler på subcelleskalaen, " siger Bertrand Audoin, en professor i mekaniklaboratoriet ved universitetet i Bordeaux. "Dette kan være nyttigt til at følge celleaktivitet eller identificere cellesygdom." Arbejdet vil blive præsenteret på det 57. årlige møde i Biophysical Society (BPS), afholdt 2-6 feb. 2013, i Philadelphia, Pa.

Teknikken, som forskerholdet brugte, kaldet picosekund ultralyd, blev oprindeligt anvendt i elektronikindustrien i midten af ​​1980'erne som en måde at måle tykkelsen af ​​halvlederchiplag. Audoin og hans kolleger, i samarbejde med en forskergruppe i biomaterialer ledet af Marie-Christine Durrieu fra Institute of Chemistry &Biology of Membranes &Nano-objects ved Bordeaux University, tilpasset picosekund ultralyd til at studere levende celler. De dyrkede celler på en metalplade og flashede derefter celle-metal-grænsefladen med en ultrakort laserimpuls for at generere højfrekvente lydbølger. En anden laser målte, hvordan lydimpulsen forplantede sig gennem cellerne, giver forskerne fingerpeg om de mekaniske egenskaber af de enkelte cellekomponenter.

"Jo højere lydfrekvens du skaber, jo mindre bølgelængde, hvilket betyder, at jo mindre objekter du kan sondere," siger Audoin. "Vi bruger gigahertz-bølger, så vi kan sondere objekter i størrelsesordenen hundrede nanometer." Til sammenligning, en celles kerne er omkring 10, 000 nanometer bred.

Holdet stod over for udfordringer med at anvende picosecond ultralyd til at studere biologiske systemer. En udfordring var cellens væskelignende materialeegenskaber. "Den lysspredningsproces, vi bruger til at detektere cellens mekaniske egenskaber, er meget svagere end for faste stoffer, " siger Audoin. "Vi var nødt til at forbedre signal-støj-forholdet uden at bruge en kraftig laser, der ville beskadige cellen." Holdet stod også over for udfordringen med naturlig cellevariation. "Hvis du sonderer silicium, du gør det én gang, og det er færdigt, " siger Audoin. "Hvis du sonderer kernen, skal du gøre det hundredvis af gange og se på statistikken."

Holdet udviklede metoder til at overvinde disse udfordringer ved at teste deres teknikker på polymerkapsler og planteceller, før de gik videre til menneskelige celler. I de kommende år forestiller holdet sig at studere kræftceller med lyd. "Et kræftvæv er stivere end et sundt væv, " bemærker Audoin. "Hvis du kan måle stivheden af ​​cellerne, mens du giver forskellige lægemidler, du kan teste, om du er i stand til at stoppe kræften på celleskalaen."