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Étude des propriétés nanomechanical du vieillissement et des cellules cancéreuses utilisant l'AFM

Une entrevue avec prof. Igor Sokolov, université de touffes a conduit avant avril Cashin-Garbutt, MAMANS (Cantab)

Pouvez-vous s'il vous plaît expliquer comment vous employez l'AFM pour étudier les propriétés nanomechanical des cellules liées aux processus de vieillissement et au cancer ?

La microscopie de force est une technique qui mieux serait décrite probablement à l'aide d'un petit doigt avec un apex juste quelques atomes dans la taille qui peuvent toucher des objectifs. C'est un doigt apprenant.

Il est exactement comme le moment où nous apprenons des choses au sujet du monde autour de nous utilisant nos doigts. Vous pouvez toucher, pousser et rayer ; vous pouvez voir combien votre doigt colle aux objectifs. Les cellules biologiques sont un exemple de ces objectifs. Nous étudions le characterisics matériel des cellules utilisant ce doigt apprenant, la sonde d'AFM. Nous regardons le vieillissement et le cancer parce que ce sont probablement les sujets les plus intéressants et les plus provocants.

La physique des cellules dans le cancer et le vieillissement d'AZoNetwork sur Vimeo.

Vaincre le vieillissement est quelque chose au delà de notre imagination parce que, même si vous pensez à une partie de la science-fiction la plus folle, il n'y a littéralement aucune description d'un contrat à terme pour des êtres humains avec l'immortalité, parce que, les gens ne savent pas traiter ceci.

Par exemple, c'est une question ouverte si vieillissant est préprogrammé. Nous ne connaissons pas cela. Il y a beaucoup de théories biochimiques définissant ce qu'est le vieillissement. La biologie est essentiellement biochimie. De nos jours nous pouvons étudier la physique des objectifs, en particulier sur une petite échelle telle que les cellules de niveau cellulaire. Pour faire que, vous avez besoin de quelque chose comme un doigt, sonde d'AFM parce qu'elle fournit un contact matériel, une nécessité à l'information d'examen médical d'étude.

Car vous faites le ce, vous apprenez d'abord les mécanismes du − de cellules comme ils sensibles sont aux charges externes, pression, rayant, et chatouillant même. Comme presque plaisanterie, nous avons trouvé un phénomène intéressant. Quand nous avons commencé à pousser le cancer et les cellules normales (cellules épithéliales cervicales humaines) avec une sonde tranchante d'AFM, les cellules cancéreuses ont commencé à ramper loin, alors que les cellules normales demeurent toujours.

Un collage des cellules épithéliales cervicales humaines émouvantes d'un encorbellement d'AFM imagées avec le microscope électronique de lecture (SEM).

Si vous employez une sonde ou une sphère mate, les deux types de cellules étaient en bon état. Il est presque comme les cellules cancéreuses n'aiment pas chatouiller ou n'importe quoi de pareil. C'est une observation que nous avons pas publié. Nous ne savons toujours pas pourquoi ils se sont comportés comme celui. C'est juste un exemple de combien de choses nous ne connaissons pas la physique du cancer.

On ne le connaît également pas ce qui est le cancer, si c'est un contact ou une mutation, comme généralement cru. D'un point de vue matériel, c'est littéralement inconnu et je pense que microscopie de force est la seule technique capable d'activer l'étude complète des cellules, y compris les mécanismes du corps cellulaire et des propriétés physiques des couches entourant des cellules.

Quels modes neufs vous êtes-vous développé pour employer l'AFM pour étudier les propriétés mécaniques des deux cellules vivantes et matériaux/polymères ?

Un mode est Pi-nanoDMA appelé. Le pi représente la transformée de Fourier. Il y a différentes voies que vous pouvez mesurer la mécanique de cellules, mais l'une d'entre elles est très naturelle ; vous poussez une cellule et commencez à vibrer votre sonde un peu avec différentes fréquences, et alors vous mesurez la réaction.

Habituellement, elle est faite séquentiellement. Vous vibrez à une fréquence, puis à une autre fréquence, et à des des autres et ainsi de suite. Cela prend du temps. Mais les cellules sont vivantes, il n'est pas très qui respecte les mesures parce qu'il continue le changement.

Ce que nous avons fait était envoie simplement toutes ces fréquences de vibration totalement immédiatement. Elle a eu comme conséquence des mesures plutôt rapides. La superficie de contact entre la sonde d'AFM et l'échantillon reste presque la même chose, qui est primordial pour des mesures qantititative. Nos évaluations prouvent que la vitesse des mesures a augmenté presque deux ordres de grandeur.

C'est une amélioration assimilée avec la résolution spatiale ; nous avons trouvé presque de l'inresolution d'augmentation cents fois. Les cents temps plus de haute résolution est assez une différence importante ; c'est la différence entre optique et la microscopie électronique, par exemple.

Comparaison des images de SEM et d'AFM des cellules. L'image d'AFM (bas) est un endroit changé de plan de la cellule imagée avec SEM (première image).

Nous publiés ceci juste sur il y a une année. La mise en place pratique exige de la visserie complémentaire à exisiting AFMs. En ce moment elle est commercialisée par NanoScience Solutions, Inc.

Maintenant, juste littéralement il y a deux jours, j'ai reçu l'avis de l'acceptation de notre autre article décrivant un autre mode d'AFM. Quand vous démontez une sonde d'AFM (votre doigt apprenant) d'une surface témoin, vous tirez vers le haut habituellement quelques molécules et un peu de la surface elle-même. Toute cette information est là.

Cependant, précédemment, cette information a été filtrée à l'extérieur parce qu'elle a été traitée comme bruit en modes de filetage sous-résonnants existants. Ce que nous avons fait était de processus que l'information avant qu'il ait été filtré à l'extérieur. Il a exigé de fixer de l'électronique plus rapide neuve à l'AFM existant. Ainsi il a été fait sur Bruker AFMs, mais il devrait travailler à tout l'AFM, même le vieux. Les résultats sont bien mieux que nous avons prévu.

Nous pouvons enregistrer jusqu'à huit glissières neuves d'information, beaucoup plus rapidement et avec moins de corps étrangers comparés aux modes de filetage sous-résonnants existants. Ce mode a été également déjà commercialisé par NanoScience Solutions, Inc.

C'est un mode réellement neuf et prometteur. Nous appliquons actuel ceci pour le dépistage du cancer, avec les collaborateurs médicaux.

Quels étaient les défis principaux que vous avez dû surmonter ?

Nous avons dû relever défis techniques et sociaux/psychologiques. Concernant les défis techniques, la microscopie atomique de force est une technique assez jeune. Bien que ce soit presque 30 années, il a traversé les mêmes étapes qui toutes les techniques neuves.

Au début, il y avait beaucoup d'excitation, abus de la technique, et éclatement de cette bulle d'intérêt initial. Il a maintenant lentement commencé à devenir méthode courante. Toujours, il exige beaucoup d'apprendre, et c'est où des stagiaires doivent être disposés. L'obtention juste d'une illustration avec l'AFM n'est pas une affaire ; elle enregistre simplement l'interaction de force entre une sonde d'AFM et une surface témoin.

Cependant, si vous ne connaissez pas quelle force ce pourrait être, puis vous pouvez obtenir quelques corps étrangers et résultats incorrects. C'est la plus grande difficulté. AFM ce n'est pas simplement une technique à bouton-poussoir. Vous devez interpréter l'image obtenue. Naturellement, parfois il y a quelques cas simples, mais si vous êtes réellement aux frontières avec cette technique, qui est la difficulté.

La deuxième difficulté associe à enseignement et de recherche. Il est intéressant comment l'éducation et la recherche vont ensemble. Les deux continuent le changement. C'était il y a différents littéralement cinq ou dix ans. Aux Etats-Unis, si vous êtes en position de tenure-piste, vous devez lutter pour l'argent. Vous devez écrire des demandes de subvention et des papiers. Il est très difficile de trouver l'heure d'apprendre quelque chose profonde et neuve, à aller au laboratoire le faire vous-même.

Par conséquent, vous comptez type fortement sur des stagiaires. Mais ils ont leur propre ordre du jour, qui est d'obtenir un PhD. S'ils voient une approche neuve ou plus compliquée comparée à ce que traditionnellement publiés, de venir à bout ils essayent elle pour obtenir des résultats plus rapides. Si le professeur insiste, ils peuvent dire que « j'ai essayé et cela n'a pas bien fonctionné », et alors ils emploient l'approche plus simple alors que les professeurs simplement n'ont pas le temps pour faire cela eux-mêmes.

C'est pourquoi l'approche populaire est la plus simple. C'est le problème de l'AFM parce qu'il capte tellement la complexité - vous obtenez littéralement l'information directe des interactions, même interactions atomiques dans le nanoscale. Vous obtenez des gigas de données. Si vous voulez réellement traiter toutes ces caractéristiques il exige la beaucoup de connaissance et évaluation de ce qui est observé. Est ce ce que je pense ralentit l'acceptation générale de cette technique.

Comment est-ce que ceci peut être surmonté ?

Je pense qu'il est simplement psychologique. Certains réaliseront cela pour obtenir quelque chose bonne avec cette technique que vous devez investir un peu plus de temps. D'autre part, la technologie continue à se développer et devient plus conviviale.

En ce moment, je peux comparer plusieurs AFMs neuf par Bruker, par exemple, à la boîte de vitesses automatique de véhicule. Vous n'avez pas besoin d'avoir la connaissance de conduire un véhicule normal. Beaucoup de gens l'aiment. Il ressent plus rapidement pour apprendre. Personnellement, j'aime quelques coups secs, mais en même temps, je déteste conduire un véhicule non-automatique.

Je pense qu'avec du temps, les gens obtiendront réellement un AFM véritablement convivial. Cependant, la physique et le besoin dans la connaissance des forces au nanoscale sont toujours là, et seront toujours là. Vous devez apprendre réellement et comprendre ce qui est mesuré et c'est toujours une difficulté.

Pouvez-vous s'il vous plaît donner comment vous étudiez les propriétés visco-élastiques employant le nanoDMA ?

Vous poussez simplement une surface avec une force de prédéfinir pour développer une certaine superficie de contact, et puis, vous oscillez la sonde avec plusieurs fréquences totalement. En ce moment, nous travaillons avec dix fréquences, qui est suffisant pour beaucoup d'applications.

Nous pouvons faire plus. Elle est toujours au sujet d'équilibrer le prix du matériel informatique et combien de fréquences vous devez analyser en même temps. Cette méthode basée sur la fréquence est la modèle-indépendante pour caractériser les matériaux, en particulier matériaux mous comme des cellules.

La gamme des fréquences est actuel de seul hertz vers le haut de ~500 hertz. La fréquence maximum est définie par l'étude précédente des polymères. Pour des polymères, il y a une grande base de données d'information de leurs propriétés visco-élastiques jusqu'à 300 hertz, qui a l'étalon-or. Il y a un certain signe qu'il pourrait être intéressant d'aller très aux hautes fréquences. Il y a d'autres gens faisant la recherche dans des mesures visco-élastiques à haute fréquence, mais je pense que la basse fréquence est importante, en particulier pour la biologie. Il est important pour des cellules, par exemple, parce qu'elles sont molles et elles n'aiment pas être secouée aux fréquences de mégahertz.

Comment l'AFM a-t-il directement avancé ou a-t-il aidé votre recherche ?

L'AFM peut mesurer non seulement la mécanique et les interactions matérielles, mais il peut mesurer les propriétés, la tribologie, et la mesure comment les biens la surface sont, etc. électriques.

L'AFM, qui est identique que la microscopie de sonde de lecture, est une famille de différentes techniques. Bien que nous employions énormément de techniques, je ne sais d'aucune autre technique capable d'obtenir à tels un grand nombre d'informations variées sur des surfaces. Je dirais que c'est ma technique préférée, bien que nous employions des beaucoup différents pour étudier l'en kit des molécules sur la surface et des propriétés des cellules et des tissus.

J'ai récent commencé à étudier des organoids, une approche complet différente qui est très populaire de nos jours. C'est parce que, quand vous regardez une tumeur, par exemple, il n'est pas même clair que les cellules sont des cellules cancéreuses et, qui ne sont pas. Ceci est devenu presque pour recenser au niveau unicellulaire. Si vous regardez des cellules dans une boîte de Pétri (In vitro), elles sont séparées dans 2 cotes sur le substrat solide. Il peut avoir un rapport très petit aux organes réels.

De nos jours quels gens font, ils ont commencé à établir un genre d'embryon/de graine des organes utilisant les cellules bien définies. Cette graine est appel appelé organoid. Toutes les cellules sont connues. Le renivellement génétique est connu. Vous savez quelles cellules sont normales et lesquels sont cancéreux. C'est une passerelle entre les deux mondes d'in vivo et in vitro.

Quelle est l'importance des contacts, comme la conférence d'AFM Biomed, à vous et à la communauté de la recherche d'AFM ?

Il est très important parce que les professeurs sont occupés, et avec tous les papiers à afficher, il est très difficile d'obtenir une bonne perception des frontières et ce qui continue dans la communauté.

Les gens ne publient pas des résultats négatifs, mais aux conférences, vous pouvez au moins la mentionner. Du point de vue apprenant, les résultats négatifs peuvent être plus éducatifs que le positif. En outre, vous pouvez poser des questions directement, qui est très important.

En conclusion, de tels contacts sont la place où vous pouvez convaincre des gens qu'il vaut de regarder une approche particulière. Peut-être il est difficile, mais il le vaut. Puisque de tels contacts font participer des professeurs et des stagiaires, les professeurs ont une motivation complémentaire pour pousser des stagiaires pour vérifier plus profondément. Naturellement, les rapports personnels sont importants pour nous tous, il alimente également des collaborations.

Les contacts en ligne sont bons pour des collaborations actuelles, mais si vous pensez à quelque chose neuve, vous avez besoin de contacts personnels. En outre, il est très important pour des stagiaires. Parfois, les stagiaires sont très proches avec les collaborateurs tels que leurs professeurs et leurs pairs, mais quand ils commencent à voir le monde il type des motivats ils beaucoup. Ainsi, de tels contacts sont très importants pour eux.

Les conférences sont très importantes généralement mais en particulier pour la microscopie de force dans des applications biomédicales. L'arène biomédicale a été le numéro un sur l'horizon de la microscopie de force juste après qu'elle a été produite. Pourtant therewere tant de difficultés que jusqu'à présent il n'y a littéralement aucune application médicale de microscopie atomique de force.

Je pense qu'il est extrêmement important de dispenser de telles conférences parce que nous essayons d'aider à donner naissance à cette zone de les applications médicales. J'essaye de travailler avec des médecins et je vois à quel point elle difficile est. Elle est non seulement au sujet de différents vocabulaires, il est un univers différent, un paradigme différent et de différents objectifs.

Pour communiquer effectivement les avantages grands d'employer l'AFM dans l'endroit médical, nous devons définir un sujet qui peut être particulièrement intéressant pour le médicament. Ce type de conférences est une place grande pour discuter ces sujets, et peut être de l'approuver par la communauté d'AFM.

Quel sens est-ce que vous voyez, ou le voudriez que voie, AFM allant dans les cinq prochaines années ? Que voyez-vous comme prochaine grande chose pour l'AFM ?

Il y aura probablement l'électronique plus rapide, des algorithmes plus sophistiqués, et des surfaces adjacentes plus conviviales. La vitesse accrue est l'une des parties les plus intéressantes du − de discussion si la microscopie de force sera aussi rapidement que le vidéo en temps réel ? Je pense qu'elle, mais elle aurait limité des demandes, pas de tous les échantillons.

Deuxièmement, le contrôle de la sonde d'AFM est également très important. La sonde qui touche la surface est en général réglée par un contrôle par retour de l'information. Par exemple, la force de charge agissant entre la sonde et la surface est maintenue continuelle pendant la lecture par un système de contrôle par retour de l'information. Actuellement, le système de contrôle par retour de l'information de contrôle est comparé plutôt fondamental à ce qui est employé dans les communautés traitant des contrôles de contrôle par retour de l'information.                       

Il est réellement temps pour que le système de contrôle soit plus sophistiqué. Comme résultat, la vitesse de la microscopie de force augmenterait énormément, et en même temps, elle préservera l'échantillon. Je pense qu'il y aura des contrôles neufs mis en application dans futur AFMs.

Où peuvent les lecteurs trouver plus d'informations ?

Au sujet de prof. Igor Sokolov

Igor Sokolov a reçu son B.S. dans la physique de l'université de l'Etat de St Petersburg, Russie en 1984, et a gagné à son Ph.D. d'institut de D.I. Mendeleev Central pour la métrologie le bureau soviétique des normes (NIST russe), Russie en 1991. En 1992, il était le bénéficiaire de la récompense de camaraderie d'E.L. Ginzton International de l'Université de Stanford pour son travail sur la microscopie atomique de force.

Igor a fonctionné en tant qu'associé de recherches à l'université de la physique de Toronto et les services de chimie avant de déménager à l'université de Clarkson en 2000 pour joindre leur service de physique, où il a réalisé le titre du professeur d'université et a servi de directeur des laboratoires de Nanoengineering et de biotechnologie centrent. Maintenant il est professeur à l'université de touffes et camarade de corps enseignant de Bernard M. Gordon Senior. Pendant sa carrière, il a consulté pour beaucoup de grandes sociétés telles que le Proctor et le jeu, le General Electric, l'Arkema Group, Inc. et le Purdue Pharma.

Il a les publications arbitrées par 150+, y compris des tourillons tels que la nature, la nanotechnologie de nature, les méthodes de nature, les matériaux avancés, etc…. Il retient 20 brevets (publiés et en instance). La recherche actuelle d'Igor se concentre sur le nanomechanics du matériau, des molécules et des cellules mous ; microscopie atomique de force ; nanophotonics, et les études vers la compréhension de la nature du cancer, dépistage précoce du cancer basé sur les propriétés biophysiques modifiées ; en kit.

Citations

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    Bruker Nano Surfaces. (2018, August 23). Étude des propriétés nanomechanical du vieillissement et des cellules cancéreuses utilisant l'AFM. News-Medical. Retrieved on June 05, 2020 from https://www.news-medical.net/news/20171031/Studying-the-nanomechanical-properties-of-aging-and-cancerous-cells-using-AFM.aspx.

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