Ny teknik ved hjælp af eksisterende teknologier tillader hidtil usete visninger af celler og andre bløde materialer

Tufts-forskere har været banebrydende for en ny måde at studere cellers egenskaber med hidtil usete opløsninger og hastigheder, giver dem mulighed for at undersøge mere præcist, for eksempel, forskellene mellem kræftceller og raske. Teknikken kan føre til hurtigere og mere præcise diagnostiske tests for en række sygdomme eller endda give indsigt i, hvordan vi bliver gamle.

Ved at bruge en kombination af eksisterende spektroskopiteknologier, Igor Sokolov, professor i mekanisk og biomedicinsk teknik, og postdoc-forsker Maxim Dokukin genererede mekaniske data fra væv og andre former for "bløde" biologiske materialer med opløsninger så meget som 100 gange bedre end nuværende metoder. Forskningen blev offentliggjort i sommers Videnskabelige rapporter , en åben journal udgivet af den gruppe, der producerer journalen Natur . Arbejdet blev hovedsageligt finansieret af National Science Foundation.

Sokolov sammenligner udviklingen af ​​den nye teknik med forskellen mellem det optiske mikroskop, opfundet i det 16. århundrede, og scanningselektronmikroskopet, udviklet i 1931. Med et optisk omfang, du kan se objekter på størrelse med en stor virus, omkring 200 til 300 nanometer. Scanning elektronmikroskoper, derimod kan afbilde objekter så små som 1 til 20 nanometer, omkring størrelsen af ​​de store molekyler i DNA. Men de er ikke nyttige med organiske materialer, siger Sokolov.

Enheden som Sokolovs team har opfundet - som de kalder FT-nanoDMA, fordi den anvender Fourier-transformationsspektroskopi (FT) og dynamisk mekanisk spektroskopi (DMA) ned til nanoskalaen (nano) - kan nøjagtigt indsamle information om bløde materialer ned til 10-50 nanometer.

Og det kan den hurtigt, det tager mindre end et sekund pr. overfladepunkt at videresende egenskaber for et 100 x 100 pixel område på blot et par timer. Det er sammenlignet med de 23 dage, de konkurrerende eksisterende teknologier kræver. Den nye teknik kan også gøre noget, som andre ikke kan - studere dynamiske mekaniske egenskaber af individuelle celler. Det er i denne skala "hvor nye ting typisk sker, " siger Sokolov.

Den nye tilgang giver forskere information om mekanikken i bløde materialer, såsom de proteiner, der udgør vores hud og hår og lange kæder af molekyler kendt som polymerer, som enten forekommer naturligt eller er konstrueret. Den nye metode måler en egenskab kendt som viskoelasticitet - et materiales evne til at strække sig under tryk og hoppe tilbage med en bestemt hastighed - tænk Silly Putty versus et gummibånd.

De resulterende data kan bruges til at vurdere egenskaberne af ondartede celler og raske, med potentiale til at udvikle sig hurtigt, nøjagtige diagnostiske tests, siger Sokolov. Bedre indsigt i andre slags cellers mekaniske egenskaber kan også kaste lys over kar- og nyresygdomme, Alzheimers, grå stær og endda aldringsprocessen, for at nævne et par stykker, han siger.

En hellig gral af nanomekanik

Overvej, hvordan hudceller ændrer sig, når vi bliver ældre. "De bliver dramatisk stivere, " siger Sokolov. "Kan vi se detaljerede forskelle i cellernes biomekaniske egenskaber? Kan vi fikse stivheden af ​​gamle celler for at bringe den tilbage til det unge niveau?"

Forskere måler typisk viskoelasticitet ved at teste materialer ved forskellige frekvenser, eller vibrationshastigheder. Forskere scanner gennem disse frekvenser én ad gangen, som at klikke gennem tv-kanaler med en fjernbetjening, og undersøge mekaniske egenskaber ved hver "station". Sokolovs teams gennembrud kom, da de fandt ud af en måde at bruge hele spektret af frekvenser på. De besluttede, "Hvorfor ikke prøve dem alle på én gang?"

Det var ikke gjort før, Sokolov siger, fordi "du ville få krydssnak, " eller interferens mellem frekvenserne. "Det tog syv år at forstå, hvordan vi kunne gøre det, men vi har nu en enhed, der gør det præcist."

Mens den nye metode er banebrydende - Sokolov kalder den "en hellig gral af nanomekanik" - mangler den én funktion, der normalt forbindes med højteknologiske innovationer:en stor pris. Det er fordi gruppen af ​​teknologier, deres enhed anvender, inklusive atomkraftmikroskopi (AFM), har eksisteret i 20 år eller mere. At bruge dem sammen kræver lidt mere end noget ekstra computersoftware til at synkronisere de forskellige teknologier. "Det kan nemt implementeres i eksisterende AFM'er til en moderat pris og bør give øjeblikkelig effekt, " siger Sokolov.

Atomkraftmikroskopi var en, hvis ikke, vigtigt værktøj, der er ansvarlig for fremkomsten af ​​nanoteknologi, bemærker Sokolov, som har brugt AFM i mere end to årtier. Ved at udvikle denne nye billedbehandlingsteknik, he and his colleagues have expanded AFM's reach, allowing it to quantify new characteristics of materials at a previously inaccessible scale.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."