Forskning i nanoskala kunne give bedre måder at identificere og spore maligne celler

Som ung fysiker i det tidligere Sovjetunionen, Igor Sokolov studerede det største af det store - hele universet. Nu, som professor i maskinteknik ved Tufts, han er fokuseret på det lille, nanoen. Ved at zoome ind, langt ind – Sokolov og hans kolleger studerer alt fra bakterier til biller ned til nanoskalaniveau. Nu har han fået et nyt øje til et af medicinens ældste problemer:kræft.

Sokolovs foretrukne instrument er atomkraftmikroskopet (AFM), som bruger sin lille fingerlignende sonde til at måle små kræfter i en meget lille skala, "temmelig meget mellem individuelle atomer, " siger han. Han stødte først på denne teknologi som en kandidatstuderende, der studerede universets oprindelse for mere end 20 år siden, omkring dengang AFM blev opfundet. Han brugte det til at lede efter beviser for teoretiske elementarpartikler. Da Sokolov ikke fandt nogen, hans arbejde hjalp med at sætte disse ideer i seng.

Snart vendte Sokolov instrumentet mod mere jordiske bekymringer. I 1994, som medlem af mikrobiologiafdelingen ved University of Toronto, han var blandt de første til at bruge AFM til at studere bakterier. Zoom ind på en probiotisk bakterie, der bruges til at lave schweizerost, Sokolov afslørede en aldrig tidligere dokumenteret proces, hvorved cellen reparerer sin overflade efter at have pådraget sig kemisk skade.

Eksperimentet demonstrerede også AFM's evne til at detektere mekaniske ændringer i levende celler med hidtil uset opløsning - noget der ville være nyttigt i Sokolovs senere arbejde. "Det var begyndelsen på min kærlighed til biomedicinske applikationer, " siger Sokolov, der også har ansættelser i afdelingerne for biomedicinsk teknik og fysik.

Se nærmere på kræften

For nylig, Sokolov og hans kolleger har brugt atomkraftmikroskopi på nogle af de mest mystiske celler af alle - ondartede. De fleste eksisterende diagnostiske værktøjer bruger cellernes kemiske fodaftryk til at identificere kræft. I en række eksperimenter gennem de sidste fem år, han ledte efter fysiske forskelle mellem kræftceller og raske celler, der kunne hjælpe læger med at diagnosticere kræft tidligere og mere præcist. Tidlig opdagelse øger patienternes chancer for at overleve markant.

Han og hans samarbejdspartnere har haft nogle lovende resultater i foreløbige undersøgelser ved hjælp af livmoderhals- og blærekræftceller - "kræft, hvor du kan høste celler uden biopsier - meget ikke-invasive metoder, " påpeger han.

I 2009 Sokolov og hans kolleger ved Clarkson University i New York studerede sunde og syge celler, der var praktisk talt identiske, biokemisk set. Søger efter en fysisk eller mekanisk forskel, der kan hjælpe med at skelne de to typer celler, fandt forskerne ud af, at overfladebelægningen omkring kræftceller - det Sokolov kalder det pericellulære børstelag - var markant anderledes end de normale.

"Det var bestemt nyt, " han siger, bemærker, at lignende resultater for nylig blev offentliggjort af forskere, der bruger mere traditionelle biokemiske metoder. "Forfatterne kaldte disse resultater resultatet af ændringen af ​​paradigme med at se på kræft."

Det pericellulære børstelag er noget som en celles pels, og den kan ligne en perserkats eller en skævet hund. Det er i tætheden og størrelsen af ​​dette børstelag, at forskerne fandt betydelige forskelle mellem kræftceller og raske celler. I et papir fra 2009 udgivet i Natur nanoteknologi , holdet rapporterede at observere et relativt ensartet børstelag i raske celler, mens de er i kræftceller, de så et to-lags børstelag, med sparsomme lange hår og tætte korte børster.

Da forskerne støvede cellekulturer med fluorescerende partikler, de kunne se - selv med det blotte øje - at partiklerne havde sat sig fast på kræftcellerne, efterlader glødende tegn på sygdommen.

"Du behøver ikke nogen enhed for at se forskellen. Det skabte en meget stærk synlig gradient for kræftceller, " siger Sokolov.

Det faktum viste sig at være mere interessant end nyttigt som et diagnostisk værktøj, selvom. Det skyldes, at de mistænkelige celler skal dyrkes i et fad - og videnskabsmænd kan allerede identificere kræftceller ved blot at se dem vokse.

Den fraktale tidsbombe

Så Sokolovs team søgte efter andre parametre, der kunne advare patologer om tilstedeværelsen af ​​kræft. Efter at have testet mange cellulære egenskaber, forskerne fandt en nøglevariation, en egenskab kaldet "fraktal dimensionalitet."

Fraktaler er defineret som "selv-lignende" mønstre, der ser nogenlunde ens ud i forskellige skalaer. De forekommer ofte i naturen. Tænk på et træ:De tyndeste bladbærende kviste gentager mønstrene for de bredere grene nedenfor. De ser omtrent det samme ud, som du zoomer ind eller ud; du mister din sans for skala uden en anden genstand til at tippe dig.

"Fraktaler opstår typisk i naturen fra kaotisk adfærd. Kræft er også blevet forbundet med kaos. Derfor, mange forskere forudsagde sammenhæng mellem kræft og fraktaler, " forklarer Sokolov.

Og da hans hold brugte AFM til at se på overfladen af ​​celler, forskerne så næsten en 100 procent forskel i fraktal dimensionalitet af normale celler og cancerceller, et fund, de rapporterede i journalen Fysiske anmeldelsesbreve i 2011.

For nylig, Sokolov og hans kolleger var i stand til at bestemme, at denne fraktale geometri opstår under en specifik, mellemfase af kræftprogression. Resultaterne - for nylig indsendt til offentliggørelse - kan en dag hjælpe læger med ikke bare at diagnosticere sygdommen, men også overvåge dens udvikling.

"Hidtil er det, vi har set, ret præcist, langt mere præcist end alt, hvad der er tilgængeligt for læger til at diagnosticere livmoderhalskræft i dag, " siger Sokolov. Han bemærker, at den almindelige Pap-smear-test er tilbøjelig til at vise falske positive resultater og gå glip af tidlige kræftformer.

Selvom testen har bragt dødeligheden ned siden dens introduktion, det har aldrig været genstand for et randomiseret kontrolleret forsøg - guldstandarden for videnskabelig forskning - og der er ingen universelt accepterede definitioner af testresultaterne, ifølge National Cancer Institute.

"Det har stadig utilstrækkelig nøjagtighed, fører til dyre og ubehagelige unødvendige biopsier, " siger Sokolov.

Kræftforskningen er blot et af flere projekter, Sokolov og hans to postdoc-stipendiater sammen med fire kandidatstuderende – to maskiningeniører og to biomedicinske ingeniører – har i gang i deres laboratorier på 200 Boston Avenue.

Gruppen, med samarbejdspartnere fra Tufts Medical Center, Dartmouth College og institutioner over hele Boston, er også på udkig efter andre nanoteknologiske tilgange til diagnosticering af kræft. De har allerede udviklet en høj opløsning, højhastighedstest, der i sidste ende kan føre til en ny måde at studere ændringer i celler, når de bliver ondartede. Tænker mere langsigtet, Sokolov svæver ideen om en nanopartikel, der patruljerer kroppen, og som kan ændre farve, når den opdager noget dårligt.

"Som en tidsindstillet bombe, nogle af disse celler vil blive kræftfremkaldende, " siger han. "På tidlige stadier, kræft dræbes ret nemt, så tidlig diagnose kan hjælpe med at udrydde det."