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Studio dei beni nanomechanical di invecchiamento e delle celle cancerogene facendo uso del AFM

Un'intervista con prof. Igor Sokolov, Tufts University ha condotto da ora ad aprile Cashin-Garbutt, il mA (Cantab)

Potete spiegare prego come usate il AFM per studiare i beni nanomechanical delle celle relative ai trattamenti ed al cancro invecchianti?

La microscopia della forza è una tecnica che probabilmente sarebbe descritta il più bene con l'aiuto di piccola barretta con una punta appena alcuni atomi nella dimensione che può toccare gli oggetti. Ciò è una barretta d'apprendimento.

È esattamente come quando impariamo le cose circa il mondo intorno noi facendo uso delle nostre barrette. Potete toccare, spingere e graffiare; potete vedere quanto la vostra barretta attacca agli oggetti. Le celle biologiche sono un esempio di questi oggetti. Studiamo il characterisics fisico delle celle facendo uso di questa barretta d'apprendimento, la sonda del AFM. Esaminiamo l'invecchiamento ed il cancro perché questi sono probabilmente gli argomenti più interessanti e più provocatori.

La fisica delle celle nel Cancro e nell'invecchiamento da AZoNetwork su Vimeo.

La sconfitta dell'invecchiamento è qualcosa oltre la nostra immaginazione perché, anche se pensate ad alcuna della fantascienza più pazza, non c'è letteralmente descrizione di un futuro per gli esseri umani con immortalità, perché, la gente non sa trattare questo.

Per esempio, è una questione aperta se invecchiando è preprogrammato. Non conosciamo quello. C'è molta definizione biochimica di teorie che cosa l'invecchiamento è. La biologia è essenzialmente la biochimica. Attualmente possiamo studiare la fisica degli oggetti, specialmente su una piccola scala quali le celle livellate cellulari. per fare che, avete bisogno di qualcosa come una barretta, sonda perché fornisce un tocco fisico, un imperativo del AFM ad informazioni di fisico medica di studio.

Poichè fate il quel, imparate in primo luogo i meccanismi del − delle cellule quanto rispondente sono ai caricamenti, alla pressione, allo scratch e perfino a solleticare esterni. Come quasi scherzo, abbiamo trovato un fenomeno interessante. Quando abbiamo cominciato colpire il cancro e le celle normali (celle epiteliali cervicali umane) con una sonda marcata del AFM, le cellule tumorali hanno cominciato strisciare via, mentre le celle normali rimangono ancora.

Un collage delle celle epiteliali cervicali umane commoventi di una trave a mensola del AFM imaged con il microscopio elettronico a scansione (SEM).

Se usate una sonda o una sfera smussata, entrambi i tipi delle cellule erano giusti. È quasi come le cellule tumorali non gradisce solleticare o qualcosa di simile. Ciò è un'osservazione che non abbiamo pubblicato. Ancora non sappiamo perché si sono comportati come quello. Ciò è appena un esempio di quante cose non conosciamo circa la fisica di cancro.

Egualmente non è conosciuto che cosa il cancro è, se è un'opzione o una mutazione, come creduto generalmente. Da un punto di vista fisico, è letteralmente sconosciuto e penso che microscopia della forza sia la sola tecnica capace di permettere allo studio completo sulle celle, compreso i meccanismi del corpo cellulare e delle proprietà fisiche dei livelli che circondano le celle.

I che nuovi modi vi siete sviluppato per usare il AFM per studiare i beni meccanici di entrambi i celle viventi e materiali/polimeri?

L'un modo è chiamato FT-nanoDMA. Il FT corrisponde alla trasformata di fourier. Ci sono modi diversi che potete misurare i meccanici delle cellule, ma uno di loro è molto naturale; spingete una cella e cominciate vibrare la vostra sonda un po'con differenti frequenze e poi misurate la risposta.

Solitamente, è fatta in sequenza. Vibrate ad una frequenza, poi ad un'altra frequenza e ad un altro ecc. Richiede tempo. Ma le celle sono vive, non è molto adatte a misura perché continua cambiare.

Che cosa abbiamo fatto era semplicemente invia tutte queste frequenze di vibrazione complessivamente immediatamente. Ha provocato le misure piuttosto veloci. L'area del contatto fra la sonda del AFM ed il campione resta quasi lo stesso, che sia preminente per le misure qantititative. Le nostre valutazioni indicano che la velocità delle misure ha aumentato quasi due ordini di grandezza.

È un simile miglioramento con la risoluzione spaziale; abbiamo trovato quasi il inresolution di aumento di cento volte. Cento volte più di alta risoluzione è una differenza equo grande; è la differenza fra microscopia elettronica ed ottica, per esempio.

Confronto delle immagini del AFM e di SEM delle celle. L'immagine del AFM (fondo) è un'area zumata della cella imaged con SEM (immagine superiore).

Abbiamo pubblicato questo appena in un anno fa. L'entrata in vigore pratica richiede un certo hardware supplementare a exisiting AFMs. Ora è commercializzata da NanoScience Solutions, Inc.

Ora, appena letteralmente i due giorni fa, ho ricevuto l'avviso dell'accettazione del nostro altro documento che descrive un altro modo del AFM. Quando disconnettete una sonda del AFM (la vostra barretta d'apprendimento) da una superficie del campione, tirate su solitamente alcune molecole ed un po'di superficie stessa. Tutte quelle informazioni sono là.

Tuttavia, precedentemente, quelle informazioni sono state filtrate perché sono state trattate come disturbo nei modi di spillatura sotto-sonori attuali. Che cosa abbiamo fatto era trattato che informazioni prima che fosse filtrato. Ha richiesto per fissare una certa nuova elettronica più veloce al AFM attuale. Così è stato fatto su Bruker AFMs, ma dovrebbe lavorare a tutto il AFM, anche quei vecchi. I risultati sono molto meglio di abbiamo preveduto.

Possiamo registrare fino a otto nuovi canali di informazioni, molto più velocemente e con meno artefatti confrontati ai modi di spillatura sotto-sonori attuali. Questo modo egualmente già è stato commercializzato da NanoScience Solutions, Inc.

Ciò è un modo realmente nuovo e di promessa. Corrente stiamo applicando questo per rilevazione del cancro, insieme ai collaboratori medici.

Che cosa erano le sfide che principali avete dovuto sormontare?

Abbiamo dovuto affrontare sia sfide tecniche che sociali/psicologiche. Per quanto riguarda le sfide tecniche, la microscopia atomica della forza è una tecnica equo giovane. Sebbene abbia quasi 30 anni, ha attraversato le stesse fasi che tutte le nuove tecniche.

In principio, c'era molta eccitazione, abuso della tecnica e scoppio di questa bolla di interesse iniziale. Ora ha cominciato lentamente trasformarsi in in metodo corrente. Eppure, richiede molto apprendimento e quello è dove gli studenti devono essere preparati. Ottenere appena una maschera con il AFM non è un gran cosa; registra semplicemente l'interazione della forza fra una sonda del AFM e una superficie del campione.

Tuttavia, se non conoscete quale forza potrebbe essere, quindi potete ottenere alcuni artefatti e risultati sbagliati. Quella è la più grande difficoltà. AFM non è appena una tecnica a pulsante. Dovete interpretare l'immagine ottenuta. Naturalmente, a volte ci sono alcuni casi semplici, ma se siete realmente alle frontiere con questa tecnica, che è la difficoltà.

La seconda difficoltà si riferisce alla ricerca ed alla formazione. È interessante come la formazione e la ricerca stanno andando insieme. Entrambi continuano cambiare. Era letteralmente i cinque o dieci anni differenti fa. Negli Stati Uniti, se siete in una posizione del possesso-cingolo, dovete combattere per moneta. Dovete scrivere le applicazioni ed i documenti di concessione. È tempo molto difficile da trovare di imparare qualche cosa di profondo e nuovo, per andare al laboratorio al fai-da-te.

Di conseguenza, contate tipicamente molto sugli studenti. Ma hanno loro proprio ordine del giorno, che è di ottenere un PhD. Se vedono un nuovo o approccio più complicato confrontato a che cosa ha pubblicato tradizionalmente, provano ad ottenere intorno di ottenere i risultati più veloci. Se il professore insiste, possono dire che “ho provato e non ha funzionato bene„ e poi usano l'approccio più semplice mentre professori non hanno semplicemente tempo di fare quello stessi.

Ecco perché l'approccio popolare è quello più semplice. Ciò è il problema del AFM perché cattura così tanto la complessità - ottenete letteralmente le informazioni dirette dalle interazioni, anche interazioni atomiche nel nanoscale. Ottenete i gigabyte dei dati. Se realmente volete elaborare tutti quei dati richiede molte conoscenza ed interpretazione di che cosa sta osservando. Ciò è che cosa penso sto rallentando l'accettazione generale di questa tecnica.

Come può questo essere sormontato?

Penso che sia semplicemente psicologico. Qualche gente realizzerà quella per ottenere qualche cosa di buon con questa tecnica che dovete investire un po'più tempo. D'altra parte, la tecnologia continua svilupparsi e diventa più facile da usare.

Ora, posso paragonare parecchio nuovo AFMs da Bruker, per esempio, alla trasmissione automatica dell'automobile. Non dovete avere la conoscenza di condurre un'automobile standard. Molta gente la gradisce. Ritiene più velocemente per imparare. Personalmente, gradisco alcuni ritocchi, ma allo stesso tempo, odio condurre un'automobile non automatica.

Penso che con tempo, la gente definitivamente ottenga un AFM vero facile da usare. Tuttavia, la fisica ed il bisogno nella conoscenza delle forze al nanoscale sono ancora là e sempre saranno là. Dovete realmente imparare e capire che cosa è misurato e quella è ancora una difficoltà.

Potete descrivere prego come state studiando i beni viscoelastici usando il nanoDMA?

Spingete semplicemente una superficie con una forza di predefinizione per sviluppare una certa area del contatto e poi, oscillate la sonda con parecchie frequenze complessivamente. Ora, lavoriamo con dieci frequenze, che è sufficiente per molte applicazioni.

Possiamo fare più. È ancora circa saldare il costo del hardware e quante frequenze dovete analizzare allo stesso tempo. Questo a metodo basato a frequenza è la maggior parte del modello-indipendente uno per caratterizzare i materiali, specialmente materiali molli come le celle.

L'intervallo delle frequenze proviene corrente dal singolo hertz su ~500 hertz. La frequenza massima è definita dallo studio precedente dei polimeri. Per i polimeri, c'è un grande database di informazioni dei loro beni viscoelastici fino a 300 hertz, che hanno il sistema monetario aureo. C'è una certa indicazione che potrebbe essere interessante andare ai very high frequency. C'è l'altra gente che effettua la ricerca nelle misure viscoelastiche ad alta frequenza, ma penso che la bassa frequenza sia importante, in particolare per biologia. È importante per le celle, per esempio, perché sono molli e non gradiscono essere scosse alle frequenze di megahertz.

Come il AFM direttamente ha avanzato o aiutato la vostra ricerca?

Il AFM può misurare non solo i meccanici ed interazioni fisiche, ma può misurare i beni, tribologia e la misura come il bene durevole la superficie è, ecc. elettrici.

Il AFM, che è lo stesso della microscopia della sonda di scansione, è una famiglia delle tecniche differenti. Sebbene usiamo le tecniche molte, non so di qualunque altra tecnica capace di ottenere tali un gran numero di varie informazioni sulle superfici. Direi che è la mia tecnica preferita, sebbene stiamo usando molti differenti per studiare l'auto-installazione delle molecole sulla superficie ed i beni delle celle e dei tessuti.

Recentemente ho cominciato studiare i organoids, un approccio completamente differente che è molto popolare attualmente. Ciò è perché, quando esaminate un tumore, per esempio, è nemmeno chiaro che le celle sono cellule tumorali e, che non sono. Ciò è diventato quasi impossible da identificare al livello unicellulare. Se esaminate le celle in una capsula di Petri (In vitro), sono separate in 2 dimensioni sul substrato solido. Può avere una scarsa relazione molto agli organi reali.

Al giorno d'oggi che gente fa, hanno cominciato sviluppare un genere di embrione/seme degli organi facendo uso delle celle ben definite. Questo seme è chiamato chiamata organoid. Tutte celle sono conosciute. Il trucco genetico è conosciuto. Conoscete quali celle sono normali e quale sono cancerogeni. Ciò è un ponte fra i due mondi di in vivo e in vitro.

Che cosa è l'importanza delle riunioni, come la conferenza del AFM Biomed, voi ed alla comunità di ricerca del AFM?

È molto importante perché professori sono occupati e con tutti i documenti da leggere, è molto difficile da ottenere una buona percezione delle frontiere e che cosa sta continuando nella comunità.

La gente non pubblica i risultati negativi, ma alle conferenze, potete citarlo almeno. Dal punto di vista d'apprendimento, i risultati negativi possono essere più educativi del positivo. Inoltre, potete fare direttamente le domande, che è molto importante.

Per concludere, tali riunioni sono il posto in cui potete convincere la gente che valga la pena di esaminare un approccio particolare. Forse è difficile, ma lo vale. Poiché tali riunioni fanno partecipare professori e gli studenti, i professori hanno una motivazione supplementare per spingere gli studenti per studiare più profondamente. Naturalmente, le relazioni personali sono importanti noi tutti, egualmente rifornisce le collaborazioni di combustibile.

Le riunioni online sono benissimo per le collaborazioni in corso, ma se state pensando a qualche cosa di nuovo, avete bisogno delle riunioni personali. Ancora, è molto importante per gli studenti. A volte, gli studenti sono molto vicini con i collaboratori quali i loro professori ed i loro pari, ma quando cominciano vedere il mondo tipicamente motivats loro molto. Quindi, tali riunioni sono molto importanti per loro.

Le conferenze sono generalmente molto importanti ma specialmente per microscopia della forza nelle applicazioni biomediche. L'arena biomedica è stata numero uno sull'orizzonte di microscopia della forza right after è stata creata. Eppure therewere tante difficoltà che finora non c'è letteralmente l'applicazione medica di microscopia atomica della forza.

Penso che sia estremamente importante organizzare tali conferenze perché stiamo provando a contribuire a dare alla luce a questo campo di applicazioni mediche. Sto provando a lavorare con medici e vedo quanto difficile è. È non solo circa i vocabolari differenti, è un universo differente, un paradigma differente e gli scopi differenti.

Per efficacemente comunicare i notevoli vantaggi di utilizzare il AFM nell'area medica, dobbiamo definire un argomento che può essere particolarmente interessante per medicina. Questo tipo di conferenze è un grande posto per discutere questi argomenti e può essere di firmarla dalla comunità del AFM.

La che direzione vedete, o vorreste per vedere, AFM che va durante i cinque anni futuri? Che cosa vedete come la grande cosa seguente per il AFM?

Ci probabilmente saranno elettronica più veloce, algoritmi più specializzati ed interfacce più facili da usare. La velocità aumentata è una delle parti più interessanti del − della discussione se la microscopia della forza sarà velocemente quanto il video in tempo reale? Penso che, ma avrebbe limitato le domande, non di tutti i campioni.

Secondariamente, il controllo della sonda del AFM è egualmente molto importante. La sonda che tocca la superficie è in genere controllata con un feedback. Per esempio, la forza del caricamento che agisce fra la sonda e la superficie è tenuta costante durante lo scansione da un sistema di feedback. Attualmente, il sistema di feedback di controllo è piuttosto fondamentale confrontato a che cosa è utilizzato nelle comunità che si occupano dei controlli feedback.                       

È definitivamente tempo affinchè il sistema di controllo sia sofisticato. Di conseguenza, la velocità di microscopia della forza aumenterebbe enorme ed allo stesso tempo, conserverà il campione. Penso che ci siano nuovi comandi applicati in AFMs futuro.

Dove possono i lettori trovare più informazioni?

Circa prof. Igor Sokolov

Igor Sokolov ha ricevuto il suo B.S. nella fisica da San Pietroburgo State University, Russia nel 1984 ed utile al suo Ph.D. dall'istituto di D.I. Mendeleev Central per la metrologia l'ufficio sovietico degli standard (NIST russo), Russia nel 1991. Nel 1992, era il destinatario del premio di amicizia di E.L. Ginzton International dalla Stanford University per il suo lavoro su microscopia atomica della forza.

Igor ha lavorato come socio di ricerca nell'università di fisica di Toronto e gli instituti di chimica prima di muoversi verso la Clarkson University nel 2000 per unire il loro dipartimento di fisica, dove ha raggiunto il titolo del professore ordinario ed ha servito da Direttore dei laboratori di biotecnologia e di Nanoengineering concentrano. Ora è professore alla Tufts University e collega della facoltà di Bernard M. Gordon Senior. Durante la sua carriera, si è consultato per molte grandi società per azioni quale Proctor e Gamble, General Electric, Arkema Group, Pharma di Purdue e di Inc.

Ha pubblicazioni arbitrate 150+, compreso tali pubblicazioni come la natura, la nanotecnologia della natura, i metodi della natura, i materiali avanzati, ecc… Tiene 20 brevetti (registrati ed in corso). La ricerca corrente di Igor mette a fuoco sul nanomechanics di materiale, delle molecole e delle celle molli; microscopia atomica della forza; nanophotonics e gli studi verso la comprensione della natura di cancro, individuazione tempestiva di cancro basata sui beni biofisici alterati; auto-installazione.

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    Bruker Nano Surfaces. (2018, August 23). Studio dei beni nanomechanical di invecchiamento e delle celle cancerogene facendo uso del AFM. News-Medical. Retrieved on June 04, 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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