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Estudando as propriedades nanomechanical do envelhecimento e pilhas cancerígenos usando o AFM

Uma entrevista com prof. Igor Sokolov, universidade dos topetes conduziu daqui até abril Cashin-Garbutt, miliampère (Cantab)

Pode você por favor explicar como você usa o AFM para estudar as propriedades nanomechanical das pilhas relativas aos processos e ao cancro de envelhecimento?

A microscopia da força é uma técnica que seja descrita provavelmente melhor com a ajuda de um dedo pequeno com um vértice apenas alguns átomos em tamanho que podem tocar em objetos. Este é um dedo de aprendizagem.

É exactamente como quando nós aprendemos coisas sobre o mundo em torno de nós que usam nossos dedos. Você pode tocar, empurrar e riscar; você pode ver quanto seu dedo cola aos objetos. As pilhas biológicas são um exemplo destes objetos. Nós estudamos o characterisics físico das pilhas usando este dedo de aprendizagem, a ponta de prova do AFM. Nós olhamos o envelhecimento e o cancro porque estes são provavelmente os assuntos os mais interessantes e os mais desafiantes.

A física das pilhas no cancro e no envelhecimento de AZoNetwork em Vimeo.

Derrotar o envelhecimento é algo além de nossa imaginação porque, mesmo se você pensa sobre alguma da ficção científica a mais louca, não há literalmente nenhuma descrição de um futuro para seres humanos com imortalidade, porque, os povos não sabem segurar isto.

Por exemplo, é uma questão aberta se envelhecer pre-está programado. Nós não conhecemos aquele. Há muitas teorias bioquímicas que definem o que o envelhecimento é. A biologia é essencialmente bioquímica. Actualmente nós podemos estudar a física dos objetos, particularmente em uma pequena escala tal como as pilhas niveladas celulares. Para fazer que, você precisa algo como um dedo, ponta de prova porque fornece um toque físico, uma obrigação do AFM à informação do exame do estudo.

Porque você faz o esse, você aprende primeiramente os mecânicos do − das pilhas como responsivo são às cargas externos, pressão, riscando, e agradando mesmo. Como quase um gracejo, nós viemos através de um fenômeno interessante. Quando nós começamos picar o cancro e pilhas normais (pilhas epiteliais cervicais humanas) com uma ponta de prova afiada do AFM, as células cancerosas começaram rastejar afastado, visto que as pilhas normais permanecem ainda.

Uma colagem das pilhas epiteliais cervicais humanas tocantes de um modilhão do AFM imaged com o microscópio de elétron da exploração (SEM).

Se você usa uma ponta de prova ou uma esfera maçante, ambos os tipos da pilha eram aprovados. É quase como as células cancerosas não gosta de agradar ou qualquer outra coisa semelhante. Esta é uma observação que nós não publicamos. Nós ainda não sabemos porque se comportaram como aquele. Este é apenas um exemplo de quantas coisas nós não sabemos sobre a física do cancro.

Igualmente não se sabe o que o cancro é, se é um interruptor ou uma mutação, como acreditado geralmente. De um ponto de vista físico, é literalmente desconhecido e eu penso que microscopia da força é a única técnica capaz de permitir o estudo detalhado das pilhas, incluindo os mecânicos do corpo de pilha e das propriedades físicas das camadas que cercam pilhas.

Que modos novos você se tornou para usar o AFM para estudar propriedades mecânicas de ambas as pilhas vivas e materiais/polímeros?

Um modo é chamado FT-nanoDMA. O FT representa o Fourier transforma. Há umas maneiras que diferentes você pode medir mecânicos da pilha, mas um deles é muito natural; você empurra uma pilha e começa-a vibrar um pouco sua ponta de prova com freqüências diferentes, e então você mede a resposta.

Geralmente, é feita sequencialmente. Você vibra em uma freqüência, então em uma outra freqüência, e em outra e assim por diante. Toma o tempo. Mas as pilhas estão vivas, ele não são muito medida-amigáveis porque se mantem mudar.

O que nós fizemos era envia simplesmente todas estas freqüências da vibração completamente imediatamente. Conduziu às medidas um pouco rápidas. A área de contacto entre a ponta de prova do AFM e a amostra fica quase o mesmo, que é primordial para medidas qantititative. Nossas avaliações mostram que a velocidade das medidas aumentou quase dois ordens de grandeza.

É uma melhoria similar com a definição espacial; nós encontramos quase o inresolution do aumento de cem vezes. Cem vezes mais de alta resolução é uma diferença razoavelmente grande; é a diferença entre a microscopia óptica e de elétron, por exemplo.

Comparação de imagens de SEM e do AFM das pilhas. A imagem do AFM (parte inferior) é uma área zumbida da pilha imaged com SEM (imagem superior).

Nós publicamos este apenas sobre um ano há. A aplicação prática exige algum hardware adicional a exisiting AFMs. É comercializada agora por NanoScience Soluções, Inc.

Agora, apenas literalmente dois dias há, eu recebi a observação de aceitação de nosso outro papel que descreve um outro modo do AFM. Quando você desliga uma ponta de prova do AFM (seu dedo de aprendizagem) de uma superfície da amostra, você levanta geralmente algumas moléculas e um pouco da superfície própria. Toda essa informação está lá.

Contudo, previamente, essa informação foi filtrada para fora porque foi tratada como o ruído nos modos de batida secundário-ressonantes existentes. O que nós fizemos foi processo que informação antes que estêve filtrado para fora. Exigiu para anexar alguma eletrônica mais rápida nova ao AFM existente. Foi feita assim em Bruker AFMs, mas deve trabalhar em todo o AFM, mesmo os velhos. Os resultados são muito melhor do que nós esperamos.

Nós podemos gravar até oito canais novos de informação, muito mais rapidamente e com menos produtos manufacturados comparados aos modos de batida secundário-ressonantes existentes. Este modo tem sido comercializado igualmente já por NanoScience Soluções, Inc.

Este é um modo realmente novo e prometedor. Nós estamos aplicando actualmente este para a detecção do cancro, junto com colaboradores médicos.

Que eram os desafios que principais você teve que superar?

Nós tivemos que enfrentar desafios técnicos e sociais/psicológicos. Em relação aos desafios técnicos, a microscopia atômica da força é uma técnica razoavelmente nova. Embora tivesse quase 30 anos velho, passou através das mesmas fases que todas as técnicas novas.

No início, havia muito excitamento, abuso da técnica, e estouro desta bolha do interesse inicial. Agora começou lentamente transformar-se método geralmente aceitado. Ainda, exige muita aprendizagem, e aquele é o lugar onde os estudantes têm que ser preparados. Obter apenas uma imagem com AFM não é uma grande coisa; grava simplesmente a interacção da força entre uma ponta de prova do AFM e uma superfície da amostra.

Contudo, se você não sabe que força poderia ser, a seguir você pode obter alguns produtos manufacturados e resultados incorrectos. Aquela é a dificuldade a mais grande. AFM não é apenas uma técnica de botão de pressão. Você tem que interpretar a imagem obtida. Naturalmente, às vezes há alguns casos simples, mas se você está realmente nas fronteiras com esta técnica, que é a dificuldade.

A segunda dificuldade relaciona-se à pesquisa e à educação. É interessante como a educação e a pesquisa estão indo junto. Ambos mantêm-se mudar. Era literalmente cinco ou dez anos diferentes há. Nos Estados Unidos, se você está em uma posição da posse-trilha, você tem que lutar pelo dinheiro. Você tem que escrever candidaturas e papéis. É hora muito dificil de encontrar de aprender algo profundo e novo, ir ao laboratório fazê-lo você mesmo.

Conseqüentemente, você confia tipicamente pesadamente em estudantes. Mas têm sua própria agenda, que é obter um PhD. Se vêem uma aproximação nova ou mais complicada comparada ao que publicou tradicional, tenta conseguir em torno dele obter uns resultados mais rápidos. Se o professor insiste, podem dizer que “eu tentei e não trabalhou bem”, e então usam a aproximação mais simples quando os professores simplesmente não tiverem o tempo para fazer isso eles mesmos.

É por isso a aproximação popular é a mais simples. Este é o problema do AFM porque captura tanto a complexidade - você obtem literalmente a informação directa das interacções, mesmo interacções atômicas no nanoscale. Você obtem gigas byte dos dados. Se você quer realmente processar todos aqueles dados exige muitos conhecimento e interpretação do que está sendo observado. Este é o que eu penso estou retardando a aceitação geral desta técnica.

Como pode isto ser superado?

Eu penso que é simplesmente psicológico. Alguns povos realizarão aquele para obter algo bom com esta técnica que você precisa de investir um pouco mais tempo. Por outro lado, a tecnologia mantem-se tornar-se e torna-se mais de fácil utilização.

Agora, eu posso comparar diverso AFMs novo por Bruker, por exemplo, com a transmissão automática do carro. Você não precisa de ter o conhecimento de conduzir um carro padrão. Muitos povos gostam d. Sente mais rapidamente para aprender. Pessoal, eu gosto de algumas emendas, mas ao mesmo tempo, eu deio conduzir um carro não-automático.

Eu penso que com tempo, os povos obterão definida um AFM verdadeiramente de fácil utilização. Contudo, a física e a necessidade no conhecimento das forças no nanoscale são ainda lá, e estarão sempre lá. Você precisa de aprender realmente e para compreender o que é medido e aquela é ainda uma dificuldade.

Pode você por favor esboçar como você está estudando propriedades viscoelastic usando o nanoDMA?

Você empurra simplesmente uma superfície com uma força da pré-definição para desenvolver alguma área de contacto, e então, você oscila a ponta de prova com diversas freqüências completamente. Agora, nós trabalhamos com dez freqüências, que é suficiente para muitas aplicações.

Nós podemos fazer mais. É ainda sobre o equilíbrio do custo do hardware e quantas freqüências você precisa de analisar ao mesmo tempo. Este método freqüência-baseado é modelo-o mais independente para caracterizar os materiais, materiais particularmente macios como pilhas.

A escala das freqüências é actualmente do único hertz acima de ~500 hertz. A freqüência máxima é definida pelo estudo precedente dos polímeros. Para polímeros, há uma grande base de dados da informação de suas propriedades viscoelastic até 300 hertz, que tem a bandeira de ouro. Há alguma indicação que pôde ser interessante ir muito às altas freqüências. Há outros povos que fazem a pesquisa em medidas viscoelastic de alta freqüência, mas eu penso que de baixa frequência é importante, em particular para a biologia. É importante para pilhas, por exemplo, porque são macios e não gostam de ser agitada em freqüências dos megahertz.

Como o AFM tem avançado ou tem ajudado directamente sua pesquisa?

O AFM pode medir não somente mecânicos e interacções físicas, mas pode medir propriedades, tribology, e medida como os bens a superfície são, etc. elétricos.

O AFM, que é o mesmo que a microscopia da ponta de prova da exploração, é uma família de técnicas diferentes. Embora nós usemos bastante muitas técnicas, eu não sei de nenhuma outra técnica capaz de obter tal grande quantidade de vária informação sobre superfícies. Eu diria que é minha técnica favorita, embora nós usássemos muitos diferentes para estudar o auto-conjunto das moléculas na superfície e as propriedades das pilhas e dos tecidos.

Eu comecei recentemente estudar organoids, uma aproximação completamente diferente que fosse muito popular actualmente. Isto é porque, quando você olha um tumor, por exemplo, é nem sequer claro que as pilhas são as células cancerosas e, que não são. Isto tornou-se quase impossível de identificar a único nível da pilha. Se você olha pilhas em um prato de Petri (in vitro), estão separadas em 2 dimensões na carcaça contínua. Pode ter uma relação muito pequena aos órgãos reais.

Hoje em dia que povos fazem, começaram construir um tipo do embrião/semente dos órgãos usando pilhas bem definidas. Esta semente é chamada atendimento organoid. Todas as pilhas são sabidas. A composição genética é sabida. Você conhece que pilhas são normais e qual são cancerígenos. Esta é uma ponte entre os dois mundos de in vivo e in vitro.

Que é a importância das reuniões, como a conferência do AFM Biomed, a você e à comunidade de pesquisa do AFM?

É muito importante porque os professores são ocupados, e com todos os papéis a ler, é muito duro obter uma boa percepção das fronteiras e o que está indo sobre na comunidade.

Os povos não publicam resultados negativos, mas em conferências, você pode pelo menos mencioná-lo. Do ponto de vista de aprendizagem, os resultados negativos podem ser mais educacionais do que o positivo. Também, você pode fazer perguntas directamente, que é muito importante.

Finalmente, tais reuniões são o lugar onde você pode convencer povos que vale olhando uma aproximação particular. Talvez é difícil, mas vale a pena. Desde que tais reuniões envolvem professores e estudantes, os professores têm uma motivação adicional para empurrar estudantes para investigar mais profundamente. Naturalmente, as relações pessoais são importantes para nós todos, ele igualmente abastecem colaborações.

As reuniões em linha são muito bem para colaborações em curso, mas se você está pensando sobre algo novo, você precisa reuniões pessoais. Além disso, é muito importante para estudantes. Às vezes, os estudantes são muito próximos com os colaboradores tais como seus professores e seus pares, mas quando começam ver o mundo ele tipicamente motivats eles muito. Assim, tais reuniões são muito importantes para eles.

As conferências são muito importantes geralmente, mas particularmente para a microscopia da força em aplicações biomedicáveis. A arena biomedicável foi o número um no horizonte da microscopia da força right after foi criada. Contudo therewere tão muitas dificuldades que até agora não há literalmente nenhuma aplicação médica da microscopia atômica da força.

Eu penso que é extremamente importante organizar tais conferências porque nós estamos tentando ajudar a dar o nascimento a esta área de aplicações médicas. Eu estou tentando trabalhar com doutores e eu ver como difícil é. É não somente sobre vocabulários diferentes, ele é um universo diferente, um paradigma diferente e uns objetivos diferentes.

Para comunicar eficazmente os grandes benefícios de usar o AFM na área médica, nós precisamos de definir um assunto que possa ser particularmente interessante para a medicina. Este tipo de conferências é um grande lugar para discutir estes assuntos, e pode ser endossá-lo pela comunidade do AFM.

Que sentido você vê, ou gostaria de ver, AFM que vai nos próximos cinco anos? Que você vê como a coisa grande seguinte para o AFM?

Haverá provavelmente uma eletrônica mais rápida, uns algoritmos mais sofisticados, e umas relações mais de fácil utilização. A velocidade aumentada é uma das partes as mais interessantes do − da discussão se a microscopia da força será tão rapidamente quanto o vídeo do tempo real? Eu penso que, mas limitaria pedidos, não para todas as amostras.

Em segundo lugar, o controle da ponta de prova do AFM é igualmente muito importante. A ponta de prova que toca na superfície é tipicamente controlada com um feedback. Por exemplo, a força da carga que actua entre a ponta de prova e a superfície é mantida constante durante a exploração por um sistema de feedback. Presentemente, o sistema de feedback do controle é um pouco básico comparado ao que é usado nas comunidades que tratam os controles de feedback.                       

É definida hora para que o sistema de controlo seja mais sofisticado. Em conseqüência, a velocidade da microscopia da força aumentaria enorme, e ao mesmo tempo, preservará a amostra. Eu penso que haverá uns controles novos executados em AFMs futuro.

Onde podem os leitores encontrar mais informação?

Sobre o prof. Igor Sokolov

Igor Sokolov recebeu seu B.S. na física da universidade estadual de St Petersburg, Rússia em 1984, e ganhou a seu Ph.D. do instituto de D.I. Mendeleev Central para a metrologia o departamento soviético dos padrões (NIST do russo), Rússia em 1991. Em 1992, era o receptor da concessão da bolsa de estudo de E.L. Ginzton Internacional da Universidade de Stanford para seu trabalho na microscopia atômica da força.

Igor trabalhou como um investigador associado na universidade da física de toronto e os departamentos de química antes de mover-se para a universidade de Clarkson em 2000 para juntar-se a seu departamento de física, onde conseguiu o título do professor completo e o serviu como o director dos laboratórios de Nanoengineering e de biotecnologia centram-se. Agora é professor na universidade dos topetes e companheiro da faculdade de Bernard M. Gordon Superior. Durante sua carreira, consultou para muitos grandes corporaçõs tais como o fiscal de provas e o Jogo, General Electric, Arkema Grupo, Inc. e Purdue Pharma.

Tem as publicações arbitradas 150+, incluindo jornais como a natureza, a nanotecnologia da natureza, os métodos da natureza, materiais avançados, etc…. Guardara 20 patentes (emitidas e pendentes). A pesquisa actual de Igor focaliza no nanomechanics do material, de moléculas e de pilhas macios; microscopia atômica da força; nanophotonics, e os estudos para a compreensão da natureza do cancro, detecção atempada de cancro baseada em propriedades biofísicas alteradas; auto-conjunto.

Citations

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    Bruker Nano Surfaces. (2018, August 23). Estudando as propriedades nanomechanical do envelhecimento e pilhas cancerígenos usando o 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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