Ny mikroskopi teknik kortlægger mekaniske egenskaber af levende celler

Forskere har udviklet en ny måde at bruge atomkraftmikroskopi til hurtigt at måle de mekaniske egenskaber af celler i nanometerskalaen, et fremskridt, der kunne bane vejen for en bedre forståelse af immunforstyrrelser og kræft.

I sin rolle som børnelæge, Manish Butte, MD, Ph.d., vil ofte skubbe og stikke en patients mave, følelse af abnormiteter - en hævet milt, en hærdet lymfeknude eller en usædvanlig klump i tarmen eller leveren. Der er stadig nogle ting, der kun kan hentes ved berøring, og Butte mener, at denne forestilling også gælder for individuelle celler.

Alligevel har forskernes evne til at undersøge og måle funktionerne i levende celler næsten ikke eksisteret. For nylig, et team af forskere og ingeniører fra Stanford satte sig for at rette op på denne ubalance med en ny teknik til hurtigt at kortlægge celler. De lykkedes ved at udvikle et stort fremskridt inden for en teknologi kendt som atomkraftmikroskopi, eller AFM, som selv blev opfundet i Stanford i 1986.

Et papir, der beskriver arbejdet, blev offentliggjort 11. november i ACS Nano . Butte, en adjunkt i pædiatrisk immunologi, er seniorforfatteren. Lead forfatterskab deles af Andrew Wang, Ph.d., en tidligere postdoktor i Buttes laboratorium, og Karthik Vijayrhagavan, Ph.d., som var kandidatstuderende og medlem af mikrofotonlaboratoriet ledet af Olav Solgaard, Ph.d., professor i elektroteknik.

"Hvordan en celle føles - dens mekaniske egenskaber, der påvirker, hvordan den får kontakt med andre celler og væv - er meget vigtigere end hvordan den ser ud, men teknologien var bare ikke der for at tillade os at undersøge det, "Butte sagde." Der er meget at lære ved at studere mekanikken i en celle og dens strukturer lige under overfladen. "

Den måde, hvorpå Butte og hans kolleger bruger AFM til at måle cellernes mekaniske egenskaber, ligner den måde, en bygherre banker sine knoer langs en gipsvæg, lytter til ændringen i tonehøjde, der vil fortælle hende, at en træpind er på den anden side. Når en AFM -sonde banker på overfladen af ​​en celle, det vibrerer, og mønsteret af disse vibrationer, som lydbølgerne, der reflekterer fra studen, giver mekanisk information om cellens strukturer, der røres.

Imidlertid, eksisterende AFM -sonder er relativt store og, som resultat, ufølsom over for høje frekvenser, som kommunikerer meget af den centrale information om en celles indre. Stanford -teamets enhed kobler en meget lille sonde til en traditionel. Denne samling gør det muligt for enheden at mærke hurtigere svingninger end konventionelle enheder og, derfor, at tage mere detaljerede og meget hurtigere målinger.

"Den største forskel mellem dette og tidligere atomkraftmikroskoper er, at vi er i stand til at måle sondens indvirkning på cellen meget hurtigt og få specifikke aflæsninger, der henviser til, at typiske AFM'er ganske enkelt giver et gennemsnit. Dette giver os mulighed for nøjagtigt at måle nogle meget bløde materialer for første gang, sagde Solgaard, som også er medforfatter af papiret.

Nuværende sonder måler cellestivhed ved at banke mod cellen omkring en eller to gange i sekundet - den hurtigste, som de store sonder kan foretage målinger. Den lille sonde, imidlertid, kan let foretage detaljerede målinger på fem til 10, 000 tryk i sekundet på grund af dens følsomhed. Han sammenlignede springet i følsomhed til forskellen mellem at køre en Cadillac Escalade ned ad vejen og skubbe en Hot Wheel -legetøjsbil langs samme overflade:"Det lille Hot Wheel vil mærke hvert lille bump så meget mere end den store Cadillac."

'Smuk løsning'

AFM'er måler sondens bevægelse ved at hoppe en laser af spidsen. Når spidsen bevæger sig op og ned, laseren reflekteres. Stanford-opfindelsen kobler den lille sonde til den store ved hjælp af en gaffelformet struktur kaldet et interferometrisk gitter. Gitteret producerer et diffraktionsmønster baseret på bevægelser af den lille sonde, og giver AFM mulighed for bekvemt at fange sine målinger.

"Vores tip producerer faktisk et andet signal, og det er det, der giver os mulighed for at få meget større detaljer. Fra et teknisk synspunkt, det er ekstremt enkelt, smuk løsning, "Solgaard sagde, henviser til de diffrakterede signaler fra gitteret.

Bedst af alt, teamets enhed kan kobles direkte til eksisterende AFM'er, muligvis spare millioner af dollars på nyt udstyr, der ellers kunne bruges på forskning. En ny AFM kan køre op til $ 500, 000, ifølge Solgaard.

Målet er den cellulære ækvivalent af Butte, der trykker på et barns mave.

"Vi vil studere cellestivhed for at forstå, hvad der er under overfladen, og hvordan cellerne er opbygget, "Sagde Wang.

Som en demonstration, holdet målte en sektion af en rød blodlegeme, foretager cirka 4 millioner samlede målinger på cirka 10 minutter - alt sammen uden at skade det sarte cellulære ydre.

"De samme målinger ville have taget mere end en måned at gennemføre ved hjælp af konventionelle atomkraftmikroskoper, "sagde Vijayraghavan. Teknologien er så hurtig, at teamet var i stand til at skabe en række time-lapse-billeder af en levende celle, hver med kun syv minutters mellemrum, et tidligere ufatteligt tempo.

Potentielle applikationer

Enhedens praktiske anvendelser spænder fra grundlæggende videnskabelig forståelse af cellulær struktur til immunologi og onkologi. Videnskabelig forståelse af de mekaniske kræfter, der spiller i celler, mangler så meget, at feltet - nu kaldet mekanobiologi - virkelig er i sin begyndelse, ifølge Butte.

De mekaniske kræfter i kroppen kan komme fra væv, som varierer i stivhed fra blødeste hjernemateriale til stiveste knogler, fra tyngdekraften, og endda fra andre cellers skub- og trækbevægelser. Kræftceller gør deres miljø mekanisk stift ved at udskille kemikalier, der afstiver den ekstracellulære matrix. Kræftceller fortolker ligeledes de vævs mekaniske kræfter til at træffe beslutninger om vækst og metastase. Overraskende feedback -sløjfer som denne ser også ud til at forekomme for stamceller i knoglemarven og under embryonal udvikling. Hvordan immunceller tolker mekaniske kræfter er stadig totalt ukendt.

"Den lavest hængende frugt er kræft. Kræftformer er ofte stivere end normalt, sunde væv, og vi kan bruge den viden til at diagnosticere sygdom. Men først, du skal have gode data, som vores enhed leverer, "Sagde Wang. Han har allerede brugt en tidlig form for den nye Stanford -sonde i pilotarbejde på brystkræftprøver taget fra mastektomi.

For hans del, Butte planlægger at bruge hurtig AFM til at studere immunsystemet. Han håber at undersøge, hvorfor ellers sygdomsbekæmpende T-celler ofte forbliver i dvale, når de er inde i en svulst. Han teoretiserer, at den mekaniske stivhed i tumorvævet kan forhindre T-celler i frit at komme i kontakt med kræftceller og udløse deres kræftbekæmpende funktioner. I det væsentlige, tumoren kan være for overfyldt til at T -cellerne kan fungere. I den anden ende af stivhedsområdet, han mener, at de bløde mekaniske egenskaber ved kronisk betændte eller inficerede væv provokerer immunsystemet til overaktivitet, som autoimmunitet.

Det er en teori, som ingen endnu har undersøgt på grund af tekniske barrierer, som den hurtige AFM kunne overvinde. Buttes laboratorium har påbegyndt en bred indsats for at forbinde mekaniske kræfter med immunrespons på det molekylære, cellulære og vævsskalaer. "Der er så meget, vi ikke ved om de mekaniske egenskaber ved forskellige celletyper og syge væv. Næsten ingenting, faktisk, "Butte sagde." Det første trin er at undersøge. Nu, vi kan gøre det."