Forskere måler kræftcellemekanik i levende dyr ved hjælp af nanopartikler

En første af sin slags nanopartikel-baseret in vivo billedbehandlingsteknik, der en dag kan blive brugt til at hjælpe med at diagnosticere og endda behandle kræft, er blevet udviklet af forskere, der samarbejder fra Michigan State, Johns Hopkins og Stanford universiteter.

Teknikken fanger mekaniske egenskaber i levende emner, der undersøger grundlæggende forhold mellem fysik og in vivo (i en levende organisme) biologi. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Materialer i dag .

Bryan Smith, lektor i biomedicinsk teknik ved MSU, arbejdet sammen med kolleger om at udvikle de små partikler, hvilken, en gang inde i levende celler, kan afsløre vigtig information om cellestruktur - herunder hvordan tumorceller fysisk ændrer sig, når de danner en tumor.

"Vi konstruerede evnen til at måle og kvantificere de nanomekaniske egenskaber af individuelle levende celler i kroppen af ​​et levende dyr for første gang, " sagde Smith.

I en undersøgelse tidligere i år, Smith og hans team designede nanopartikler, der hjalp med at "spise" åreforkalkning væk, plakopbygningen i arterierne, der kan føre til hjerteanfald. Partiklerne trængte selektivt ind i immunsystemets celler kendt som makrofager, afgivelse af et lægemiddel, der instruerer celler til at fortære de skadelige plaques.

Nu, Smith og hans kolleger har skabt en teknik, der bruger forskellige nanopartikler, der kan indlejres i forskellige celletyper, inklusive kræftbrystceller, hos levende dyr. At analysere, hvordan partiklerne bevæger sig i cellen, kan afsløre meget om dens indre fysiske egenskaber.

"Der eksisterede tidligere ingen metode til at undersøge mekaniske egenskaber i levende emner - f.eks. hos pattedyr - med høj rumlig opløsning, " sagde Smith. "Sådanne teknikker lover at åbne helt nye veje til undersøgelse for både sygdomsdiagnose og behandling."

De mekaniske egenskaber af biologiske væv har været kendt for at spille en stor rolle i mange sygdomstilstande, herunder hjertesygdomme, betændelse og kræft, samt normal fysiologi såsom cellemigration og organismeudvikling. I den aktuelle undersøgelse, Smith og hans team brugte nanopartikler til først at sammenligne de mekaniske egenskaber mellem celler i kultur - både standard 2-D og 3-D - og i levende dyr.

Sporing af nanopartiklernes bevægelse afslørede, at det miljø, hvori cellerne observeres, i høj grad påvirker deres mekaniske egenskaber - hvilket kan betyde, at visse cellemodeller måske ikke er så gyldige repræsentationer af levende dyr.

"Dette fortæller kræftforskere, der er interesseret i kræftmekanik, at 2-D-tilstande kan dårligt replikere, og at visse 3D-forhold kommer væsentligt tættere på, at efterligne forhold i den levende mus, " sagde Smith.

Den næste del af eksperimentet så på, hvad der faktisk sker med den indre struktur af kræftceller, når de begynder at danne tumorer. Tidligere metoder kunne ikke besvare spørgsmålet, fordi de var for invasive til at teste i levende individer.

Igen, observere bevægelsen af ​​nanopartiklerne i cellerne, holdet målte, hvor "compliant, " eller blød, cellerne var. Vigtigt, de fandt ud af, at normale cellers smidighed forblev stabil over tid, men da kræftceller dannede en tumor i løbet af en uge, de stivnede.

"Vi fandt ud af, at når en tumor begynder at dannes i en levende mus, individuelle tumorceller stivner mekanisk. Dette er et fundamentalt fund, som i sidste ende sandsynligvis vil have konsekvenser for kræftspredning (metastaser) og tumordødelighed, " sagde Smith. "Opdagelsen blev gjort mulig ved at integrere state-of-the-art billeddannelses- og partikelsporingsteknologier fra vores og vores samarbejdspartneres laboratorier."

Forskningen har en række lovende anvendelser inden for medicin. En af disse er simpelthen at vurdere, hvilke cellekulturmetoder der er nok som levende organismer til at give meningsfuld information. En anden er måling af de cellemekaniske egenskaber af almindelige biologiske funktioner, herunder organudvikling, i levende organismer.

Måske er den mest spændende anvendelse inden for sygdomsdiagnose og behandling, sagde Smith. Nanopartikler kan bruges til at overvåge cellernes sundhed og de typer ændringer, de gennemgår i sygdomsprocesser - og kan endda ændre dette forløb.

Smith og hans kolleger planlægger at se på dannelsen og spredningen af ​​kræftmetastaser, som forårsager omkring 90 % af kræftdødsfaldene.

"Jeg håber, at vi en dag vil være i stand til at behandle metastasernes fysik, sagde han. Men, vi skal først forstå mekanikken og hvordan ændring af dem påvirker celleadfærd. Det undersøger vi nu."