Prober i nanostørrelse afslører, hvordan cellulær struktur reagerer på tryk

Ved at give levende celler en "nano-poke" og overvåge de resulterende ændringer i det intracellulære miljø, har forskere fået deres første glimt af, hvordan hele celler reagerer på eksternt mekanisk tryk.

Et hold ledet af forskere fra National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, brugte en teknik kaldet atomkraftmikroskopi til at påføre kraft på tværs af overfladen af ​​forskellige celler. Metoden bruger nanoskalaprober med spidser på blot et par milliardtedele meter store til at måle og kortlægge, hvordan kraften fordeles hen over celleoverfladen og i hele cellen.

Forskerne brugte maskinlæring til at analysere og modellere de kræfter, de målte. De brugte også fikserings- og farvningsteknikker til at studere, hvordan kraftforvrængningen påvirkede cellens indre strukturer og mikrotubuli og aktinfilamenter, der udgør dens "skelet".

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Science and Technology of Advanced Materials .

"Celler er smarte materialer, der kan tilpasse sig forskellige kemiske og mekaniske stimuli fra deres omgivelser," siger Jun Nakanishi, en af ​​de tilsvarende forfattere af undersøgelsen og leder af Mechanobiology Group ved National Institute for Materials Science. Denne evne til at tilpasse sig er afhængig af hurtige feedback-mekanismer for at holde cellen intakt og sund, og der er voksende beviser for, at svigt af denne cellulære respons ligger til grund for en række lidelser, herunder diabetes, Parkinsons sygdom, hjerteanfald og kræft.

Indtil videre har undersøgelser af disse cellulære responser været begrænset af de anvendte teknikker – for eksempel kræver nogle metoder, at cellerne er formonteret med sensorer, så de kun kan måle en lille del af responsen. "Vi opfandt en unik måde at 'røre' en celle med en nanoskala 'hånd', så kraftfordelingen over en komplet celle kunne kortlægges med nanometer opløsning," siger Hongxin Wang, som er førsteforfatter til undersøgelsen og JSPS postdoc i Mekanobiologigruppen.

Undersøgelsen afslørede, at spændings- og kompressionskræfter fordeles på tværs af aktinfibre og mikrotubuli i cellen for at holde sin form, svarende til hvordan stængerne og rebene i et campingtelt fungerer. Da forskerne deaktiverede den kraftbærende funktion af aktinfibre, fandt de ud af, at kernen selv også er involveret i at modvirke ydre kræfter, hvilket fremhæver den rolle, som kernens indre struktur har i cellulære stressrespons.

Forskerholdet sammenlignede også reaktionerne fra sunde og kræftceller. Kræftceller viste sig at være mere modstandsdygtige over for ekstern kompression end raske celler, og de var mindre tilbøjelige til at aktivere celledød som reaktion.

Resultaterne belyser ikke kun stressreaktionens komplekse intracellulære mekanik, men opdagelsen af ​​forskellige reaktioner i kræftceller kunne tilbyde en ny måde at skelne mellem sunde og kræftceller – et diagnostisk værktøj baseret på cellulær mekanik.

Hospitaler bruger i øjeblikket størrelsen, formen og strukturen af ​​en celle til at diagnosticere kræft. Disse funktioner giver dog ikke altid nok information til at kende forskel på sunde og syge celler.

"Vores resultater giver en anden måde at kontrollere celletilstande ved at måle kraftfordeling, som dramatisk kan forbedre diagnostisk nøjagtighed," siger Han Zhang, en anden tilsvarende forfatter til undersøgelsen og seniorforsker i Electron Microscopy Group, NIMS.

Flere oplysninger: Hongxin Wang et al., Kortlægning af stress inde i levende celler ved atomkraftmikroskopi som reaktion på miljøstimuli, Science and Technology of Advanced Materials (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2265434

Journaloplysninger: Videnskab og teknologi for avancerede materialer

Leveret af National Institute for Materials Science