Les ingénieurs de MIT trouvent le moyen non envahissant d'évaluer les propriétés mécaniques des cellules

La raideur ou l'élasticité d'une cellule peut indiquer beaucoup au sujet de si la cellule est en bonne santé ou malade. Des Cellules cancéreuses, par exemple, sont connues pour être plus molles que la normale, alors que les cellules asthme-affectées peuvent être plutôt raides.

La Détermination des propriétés mécaniques des cellules peut aider ainsi des médecins à diagnostiquer et cheminer l'étape progressive de certaines maladies. Les méthodes Actuelles pour faire ceci concernent sonder directement des cellules des instruments chers, tels que les microscopes atomiques de force et les brucelles optiques, qui établissent le contact direct et invasif avec les cellules.

Maintenant les ingénieurs de MIT ont trouvé un moyen d'évaluer les propriétés mécaniques des cellules simplement par observation. Les chercheurs emploient la microscopie confocale normale pour mettre à zéro dedans sur la constante, secouant des mouvements des particules des cellules -- mouvements indicateurs qui peuvent être employés pour déchiffrer la raideur des cellules. À La Différence des brucelles optiques, la technique de l'équipe est non envahissante, fonctionnement peu de risque de modifier ou d'endommager une cellule tout en sondant ses teneurs.

« Il y a plusieurs maladies, comme de certains types de cancer et asthme, où la raideur de la cellule est connue pour être liée au phénotype de la maladie, » dit Ming Guo, Professeur Adjoint de Développement De La Vie Professionnelle Du d'Arbeloff de Britannique et d'Alex dans le Service du MIT de l'Industrie Mécanique. « Cette technique ouvre réellement une trappe de sorte qu'un médecin ou un biologiste, s'ils voudraient connaître la propriété matérielle de la cellule d'une voie très rapide et non envahissante, puisse maintenant la faire. »

Guo et étudiant de troisième cycle Satish Kumar Gupta ont publié leurs résultats dans le Tourillon des Mécanismes et de la Physique des Solides.

Agitation des cuillères

Dans sa thèse 1905 de PhD, Albert Einstein a dérivé une formule, connue sous le nom d'équation de Charger-Einstein, qui permet pour prévoir les propriétés mécaniques d'un matériau en observant et en mesurant le mouvement des particules en ce matériau. Il y a juste un ergot de boulon : Le matériau doit être « dans l'équilibre, » signifiant que tous les mouvements de particules doivent être dus à l'effet de la température du matériau plutôt que n'importe quelles forces externes agissant sur les particules.

« Vous pouvez penser à l'équilibre comme étant une cuvette de café chaude, » Guo dit. « Seule la température du café peut piloter le sucre à la dispersion. Maintenant si vous remuez le café avec une cuillère, le sucre dissout plus rapidement, mais le système n'est seulement piloté par la température plus et n'est plus dans l'équilibre. Vous changez l'environnement, mettant l'énergie dedans et en effectuant la réaction produisez-vous plus rapidement. »

Dans une cellule, les organelles telles que des mitochondries et les lysosomes secouent continuellement en réponse à la température des cellules. Cependant, Guo dit, il y a également « beaucoup de minispoons » remuant le cytoplasme environnant, sous forme de protéines et de molécules qui, de temps à autre, poussent activement les organelles vibrantes autour comme des billes de billard.

Le flou constant de l'activité dans une cellule l'a rendu difficile pour que les scientifiques discernent, simplement en examinant, qui les mouvements sont dus à la température et qui sont dus à plus actif, des procédés « comme une cuillère ». Cette limitation, Guo dit, a « a fondamentalement fermé la trappe sur employer l'équation et l'observation pure d'Einstein pour mesurer les propriétés mécaniques des cellules. »

Vue par le cadre

Guo et Gupta ont conjecturé qu'il pourrait y a une voie de taquiner à l'extérieur des mouvements motivés par la température dans une cellule en regardant la cellule dans un calendrier très étroit. Ils se sont rendus compte que des particules activées seulement par le document de la température un mouvement secouant de constante. N'importe quand vous regardez une particule motivée par la température, elle a lié déménager.

En revanche, les procédés actifs qui peuvent frapper une particule autour du cytoplasme des cellules font ainsi seulement de temps en temps. Voyant de tels mouvements actifs, ils ont présumé, exigeraient regarder une cellule au-dessus d'un plus long calendrier.

Pour évaluer leur hypothèse, les chercheurs effectuée expérimente sur les cellules humaines de mélanome, une ligne des cellules cancéreuses qu'ils ont choisies pour que leur capacité se développe facilement et rapidement. Ils ont injecté de petites particules de polymère dans chaque cellule, puis ont cheminé leurs mouvements sous un microscope fluorescent confocal normal. Ils ont également varié la raideur des cellules en introduisant le sel dans la solution de cellules -- un procédé qui tire l'eau hors des cellules, les effectuant davantage a comprimé et stiff.

Les chercheurs ont enregistré des vidéos des cellules à différents débits d'images et ont observé comment les mouvements des particules ont changé avec la raideur de cellules. Quand ils ont observé les cellules aux fréquences plus haut que 10 images par seconde, ils ont en grande partie observé des particules secouer en place ; ces vibrations ont semblé être provoquées par seule la température. Seulement à des débits d'images plus lents ont fait elles repèrent des mouvements plus actifs et plus irréguliers, avec des particules tirant en travers des distances plus larges dans le cytoplasme.

Pour chaque vidéo, elles ont cheminé le chemin d'une particule et ont appliqué un algorithme qu'elles s'étaient développées pour prévoir la course moyenne des particules. Elles ont alors branché cette valeur de mouvement à un format généralisé de l'équation de Charger-Einstein.

Guo et Gupta comparés leurs calculs de la raideur avec des mesures réelles qu'elles ont effectuées utilisant les brucelles optiques. Leurs calculs se sont assortis avec des mesures seulement quand ils ont utilisé le mouvement des particules capturées aux fréquences de 10 images par seconde et plus haut. Guo dit que ceci propose que les mouvements de particules se produisant aux hautes fréquences soient en effet motivés par la température.

Les résultats de l'équipe suggèrent que si les chercheurs observent des cellules assez rapides aux débits d'images, ils puissent isoler les mouvements de particules qui sont purement pilotés par la température, et déterminer leur déplacement moyen -- une valeur qui peut être directement branchée à l'équation d'Einstein pour prévoir la raideur des cellules.

« Maintenant si les gens veulent mesurer les propriétés mécaniques des cellules, elles peuvent juste les observer, » Guo dit.

L'équipe travaille maintenant avec les médecins chez Massachusetts General Hospital, qui espèrent employer la technique neuve et non envahissante pour étudier des cellules concernées dans le cancer, l'asthme, et d'autres conditions en lesquelles les propriétés de cellules changent pendant qu'une maladie progresse.

Les « Gens ont une idée que la structure change, mais les médecins veulent employer cette méthode pour expliquer s'il y a une modification, et si nous pouvons employer ceci pour diagnostiquer ces conditions, » Guo dit.

Source : http://news.mit.edu/2017/fast-noninvasive-technique-probing-cells-may-reveal-disease-0803