Elastiske mikrosfærer udvider forståelsen for embryonisk udvikling og kræftceller

En ny teknik, der bruger små elastiske kugler fyldt med fluorescerende nanopartikler, har til formål at udvide forståelsen af ​​de mekaniske kræfter, der eksisterer mellem celler, forskere rapporterer. Et team ledet af University of Illinois har demonstreret kvantificering af 3D-kræfter i celler, der lever i petriskåle samt levende prøver. Denne forskning kan låse op for nogle af de mysterier, der er relateret til embryonisk udvikling og kræftstamceller, dvs. tumor-repopulerende celler.

I årtier, forskere har kæmpet for at kvantificere kræfterne, kaldet traktioner, det skub, trække og klemme celler gennem deres livscyklus. De tilgængelige værktøjer til at måle kraft var ikke små nok til at passe ind i intercellulære rum eller følsomme nok til at detektere de små bevægelser inden for cellekolonier.

Selvom den er lille i menneskelig skala, størrelsen af ​​disse mekaniske kræfter er langt fra trivielle på celleniveau. Ifølge den nye undersøgelse, forudgående forskning fra Illinois -gruppen og andre indikerer, at trækkraft spiller en grundlæggende rolle i cellefysiologi.

Teamet ledet af mekanisk videnskab og ingeniørprofessor Ning Wang rapporterede deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Hvis vi placerer en enkelt celle i et medium i en petriskål, vil den ikke overleve længe, selvom vi leverer alle de nødvendige næringsstoffer, "Sagde Wang." Cellerne formår ikke at danne nogen form for væv, fordi der ikke er understøttelse eller stilladser at bygge på. "

Når celler vokser og formerer sig, de udøver kræfter på hinanden, mens de konkurrerer om rummet. Teamet fandt ud af, at hvis de injicerer deres små elastiske kugler i embryoner fra tidlige stadier af zebrafisk og kolonier af melanomceller af mus i petriskåle, også de oplever kræfterne.

"Cellerne synes ikke at have noget imod indtrængen, "Wang sagde." Sfærerne er lavet af en ikke -toksisk mikrogel, og selvom cellerne vil skubbe dem rundt, de ser ikke ud til at forstyrre udviklingen. "

For at måle mængden af ​​kraft pålagt cellerne, holdet placerede fluorescerende nanopartikler inde i kuglerne. Når cellerne klemmer kuglerne, nanopartiklerne bevæger sig alle samme mængde pr. kraftområde. Forskerne kan derefter måle de glødende partiklers bevægelser ved hjælp af fluorescerende lysmikroskopi til at beregne mængden af ​​kraft, der udøves på kuglerne og cellerne. Ved hjælp af denne teknik, holdet har markeret den første vellykkede måling af alle tre former for kraft - kompression, spænding og forskydning - i alle tre dimensioner, Sagde Wang.

Denne evne til at kvantificere kraft i celler kan være meget vigtig for kræftcelleforskning, Sagde Wang. Teamet fandt ud af, at når melanomtumorceller fra mus in vitro begynder at reproducere sig fra en enkelt celle til omkring 100 til 200 celler, trykstress øges ikke.

"Vi troede, at kræftceller ville generere mere pres på dette tidlige vækststadium, mens tumorens masse stiger, som vi observerede i zebrafiskembryoner, men det gør de ikke, "Wang sagde." Vi formoder, at kræftcellerne begynder at brede sig eller metastasere lige efter dette stadie. "

Primære tumorer er normalt ikke dødelige, Sagde Wang. Den virkelige morder ser ud til at være spredningen af ​​tumor-repopulerende celler fra primære tumorer til blødt væv-med lave intercellulære traktioner-som knoglemarv, hjerne, lunge og lever. "Selvom den underliggende mekanisme for metastase er uklar, vi har antaget, at tumor-repopulerende celler spredes meget hurtigt i disse sekundære bløde væv. At have evnen til at måle ændringer i traktioner på intercellulært niveau kan tjene som et tidligt kræft-detekteringsværktøj, "Sagde Wang.

Denne mikrogelkugleteknologi kan også hjælpe med at opklare mekanismerne bag et metastasestopende syntetisk lægemiddel, der for nylig blev beskrevet af Wang og hans kolleger. Ud over, Wangs medforfattere fortsætter med at anvende denne teknologi til forskning i stamceller og embryoner. "Når andre forskere ser dette kraftfulde nye værktøj, som vi har udviklet, de vil blive begejstrede for at bruge det i mange forskellige cellefysiologier, udvikling og sygdomsapplikationer, "Sagde Wang.