Gli ingegneri del MIT inventano il modo non invadente valutare i beni meccanici delle cellule

La rigidezza o l'elasticità di una cella può rivelare molto circa se la cella è in buona salute o malata. Le Cellule tumorali, per esempio, sono conosciute per essere più molli del normale, mentre le celle asma-commoventi possono essere piuttosto rigide.

La Determinazione dei beni meccanici delle celle può aiutare così medici a diagnosticare e tenere la carreggiata la progressione di determinate malattie. I metodi Correnti per fare questo comprendono direttamente sondare le celle con gli strumenti costosi, quali i microscopi atomici della forza e le pinzette ottiche, che stabiliscono il contatto diretto e dilagante con le celle.

Ora gli ingegneri del MIT hanno inventato un modo valutare semplicemente i beni meccanici delle cellule tramite l'osservazione. I ricercatori usano la microscopia confocale standard per azzerare dentro sul costante, scuotendo i moti delle particelle delle cellule -- movimenti indicatori che possono essere usati per decifrare la rigidezza delle cellule. A Differenza delle pinzette ottiche, la tecnica del gruppo è non invadente, funzionamento poco rischio di alterazione o di danno della cella mentre sonda i sui contenuti.

“Ci sono parecchie malattie, come determinati tipi di cancro e di asme, dove la rigidezza della cella è conosciuta per essere collegata al fenotipo della malattia,„ dice Ming Guo, l'Assistente Universitario dello Sviluppo di Carriera del d'Arbeloff di Alex e di Britannico nel Dipartimento del MIT dell'Ingegneria Meccanica. “Questa tecnica realmente apre una porta in moda da potere ora farlo un medico o un biologo, se volessero conoscere i beni materiali della cella in un modo molto rapido e non invadente.„

Guo ed il dottorando Satish Kumar Gupta hanno pubblicato i loro risultati nel Giornale dei Meccanismi e della Fisica dei Solidi.

Mescolatura dei cucchiai

Nella sua tesi 1905 di PhD, Albert Einstein ha derivato una formula, conosciuta come l'equazione di Rifornire-Einstein, che permette di calcolare i beni meccanici di un materiale osservando e misurando il movimento delle particelle in quel materiale. C'è appena una cattura: Il materiale deve essere “nell'equilibrio,„ significando che tutti i moti della particella devono essere dovuto l'effetto della temperatura del materiale piuttosto che qualunque forze esterne che agiscono sulle particelle.

“Potete pensare ad equilibrio come essendo una tazza di caffè calda,„ Guo dice. “La temperatura Del caffè da solo può guidare lo zucchero alla diffusione. Ora se mescolate il caffè con un cucchiaio, lo zucchero si dissolve più velocemente, ma il sistema non è determinato solamente dalla temperatura più e non è più nell'equilibrio. State cambiando l'ambiente, mettente l'energia dentro e facendo la reazione accada più velocemente.„

All'interno di una cella, gli organelli quali i mitocondri ed i lisosomi stanno scuotendo costantemente in risposta alla temperatura delle cellule. Tuttavia, Guo dice, ci sono egualmente “molti minispoons„ che mescolano sul citoplasma circostante, sotto forma di proteine e di molecole che, attivamente spingono di quando in quando gli organelli di vibrazione intorno come le palle da biliardo.

Il mosso costante di attività in una cella lo ha reso difficile affinchè gli scienziati discerni, semplicemente guardando, che i moti sono dovuto la temperatura e che sono dovuto più attivo, i trattamenti “del tipo di cucchiaio„. Questa limitazione, Guo dice, ha “basicamente ha chiuso la porta sul usando l'equazione e l'osservazione pura di Einstein per misurare i beni meccanici delle cellule.„

Fotogramma dal fotogramma

Guo e Gupta hanno congetturato che ci potrebbe essere un modo prendere in giro fuori dai i moti guidati da temperatura in una cella esaminando la cella all'interno di un calendario molto stretto. Hanno rend contoere che particelle stimolate solamente dalla mostra della temperatura un moto scuotente costante. In qualunque momento esaminiate da una particella guidata da temperatura, ha limitato muoversi.

Al contrario, i trattamenti attivi che possono battere una particella intorno al citoplasma delle cellule agiscono in tal modo soltanto occasionalmente. Vedendo tali movimenti attivi, hanno supposto, richiederebbero l'esame della cella sopra un calendario più lungo.

Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori effettuata sperimenta sulle celle umane del melanoma, una riga di cellule tumorali che hanno scelto affinchè la loro capacità si sviluppino facilmente e rapidamente. Hanno iniettato le piccole particelle del polimero in ogni cella, quindi hanno tenuto la carreggiata i loro moti sotto un microscopio fluorescente confocale standard. Egualmente hanno variato la rigidezza delle cellule presentando il sale nella soluzione delle cellule -- un trattamento che estrae l'acqua dalle celle, rendente li più compresse e rigide.

I ricercatori hanno registrato i video delle celle ai frami per secondo differenti ed hanno osservato come i moti delle particelle sono cambiato con rigidezza delle cellule. Quando hanno guardato le celle alle frequenze più superiore 10 fotogrammi al secondo, principalmente hanno osservato le particelle scuotere sul posto; queste vibrazioni sono sembrato essere causate dalla temperatura da solo. Soltanto ai frami per secondo più lenti hanno fatto macchiano più attivo, movimenti casuali, con le particelle che sparano attraverso le più ampie distanze all'interno del citoplasma.

Per ogni video, hanno tenuto la carreggiata il percorso di una particella ed hanno applicato un algoritmo che si erano sviluppate per calcolare la lunghezza della corsa media della particella. Poi hanno inserito questo valore di moto un formato generalizzato dell'equazione di Rifornire-Einstein.

Guo e Gupta hanno paragonato i loro calcoli di rigidezza alle misure che reali hanno effettuato facendo uso delle pinzette ottiche. I Loro calcoli hanno abbinato su con le misure soltanto quando hanno usato il moto delle particelle catturate alle frequenze di 10 fotogrammi al secondo e più su. Guo dice che questo suggerisce che i moti della particella che accadono alle alte frequenze siano effettivamente guidati da temperatura.

I risultati del gruppo indicano che se i ricercatori osservano le celle ai frami per secondo abbastanza veloci, possono isolare i moti della particella che puramente sono determinati dalla temperatura e determinare il loro spostamento medio -- un valore che può direttamente essere inserito l'equazione di Einstein per calcolare la rigidezza delle cellule.

“Ora se la gente vuole misurare i beni meccanici delle celle, possono guardarli appena,„ Guo dice.

Il gruppo ora sta lavorando con medici al Policlinico di Massachusetts, che sperano di usare la nuova, tecnica non invadente per studiare le celle coinvolgere nel cancro, l'asma ed altre circostanze in cui i beni delle cellule cambiano mentre una malattia progredisce.

“La Gente ha un'idea che la struttura cambia, ma medici vogliono usare questo metodo per dimostrare se ci sia un cambiamento e se possiamo usare questo per diagnosticare queste circostanze,„ Guo dice.

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