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Estudiar las propiedades nanomechanical del envejecimiento y de las células cacerígenas usando el AFM

Una entrevista con profesor Igor Sokolov, universidad de los penachos conducto en abril Cashin-Garbutt, mA (Cantab)

¿Puede usted explicar por favor cómo usted utiliza el AFM para estudiar las propiedades nanomechanical de las células relacionadas con los procesos y el cáncer de envejecimiento?

La microscopia de la fuerza es una técnica que sería descrita probablemente mejor con la ayuda de un pequeño dedo con un ápice apenas algunos átomos de tamaño que puede tocar objetos. Esto es un dedo de aprendizaje.

Está exactamente como cuando aprendemos cosas sobre el mundo alrededor de nosotros usando nuestros dedos. Usted puede tocar, activar y arañazo; usted puede ver cuánto adhiere su dedo a los objetos. Las células biológicas son un ejemplo de estos objetos. Estudiamos el characterisics físico de células usando este dedo de aprendizaje, la antena del AFM. Observamos el envejecimiento y el cáncer porque éstos son probablemente los temas más interesantes y más desafiadores.

La física de células en cáncer y del envejecimiento de AZoNetwork en Vimeo.

La derrota del envejecimiento es algo más allá de nuestra imaginación porque, incluso si usted piensa en algo de la ciencia ficción más loca, no hay literalmente descripción de un futuro para los seres humanos con inmortalidad, porque, la gente no sabe manejar esto.

Por ejemplo, es un no se sabe si envejece está preprogramado. No lo sabemos. Hay muchas teorías bioquímicas que definen cuáles es el envejecimiento. La biología es esencialmente bioquímica. Actualmente podemos estudiar la física de objetos, determinado en una pequeña escala tal como las células niveladas celulares. Para hacer que, usted necesita algo como un dedo, antena porque ofrece un tacto físico, una necesidad del AFM a la información de la comprobación del estudio.

Pues usted hace ese, usted aprende primero a los mecánicos del − de las células cómo es responsivo están a las cargas externas, presión, arañazo, e incluso cosquilleando. Como casi broma, parecimos un fenómeno interesante. Cuando comenzamos a empujar el cáncer y las células normales (células epiteliales cervicales humanas) con una antena afilada del AFM, las células cancerosas comenzaron a arrastrarse de distancia, mientras que todavía sigue habiendo las células normales.

Un collage de las células epiteliales cervicales humanas conmovedoras de un voladizo del AFM reflejadas con el microscopio electrónico de exploración (SEM).

Si usted utiliza una antena o una esfera embotada, ambos tipos de la célula eran aceptables. Es casi como las células cancerosas no tiene gusto de cosquillear o algo similar. Esto es una observación que no hemos publicado. Todavía no sabemos porqué se comportaron como ése. Éste es apenas un ejemplo de cuántas cosas no sabemos sobre la física del cáncer.

También no se sabe cuáles el cáncer es, si es un interruptor o una mutación, según lo creído generalmente. Desde un punto de vista físico, es literalmente desconocido y pienso que microscopia de la fuerza es la única técnica capaz de habilitar el estudio completo de células, incluyendo los mecánicos de la carrocería de célula y de las propiedades físicas de las capas que rodean las células.

¿Qué nuevas maneras usted se ha convertido para utilizar el AFM para estudiar las propiedades mecánicas de ambas células vivas y materiales/polímeros?

Una manera se llama Pie-nanoDMA. El pie representa el Fourier transforma. Hay maneras diferentes que usted puede medir a mecánicos de la célula, pero uno de ellos es muy natural; usted activa una célula y comienza a vibrar su antena un poco con diversas frecuencias, y entonces usted mide la reacción.

Generalmente, se hace secuencialmente. Usted vibra en una frecuencia, entonces en otra frecuencia, y otra y así sucesivamente. Toma tiempo. Pero las células están activas, él no son muy medición-cómodas porque guarda el cambiar.

Qué lo hicimos era envía simple todas estas frecuencias de la vibración en conjunto inmediatamente. Dio lugar a mediciones bastante rápidas. El área del contacto entre la antena del AFM y la muestra casi tirante lo mismo, que es supremo para las mediciones qantititative. Nuestras apreciaciones muestran que la velocidad de mediciones ha aumentado casi dos órdenes de magnitud.

Es una mejoría similar con la resolución espacial; casi encontramos el inresolution del aumento de cientos veces. Cientos veces más de alta resolución es una diferencia bastante grande; es la diferencia entre la microscopia electrónica óptica y, por ejemplo.

Comparación de las imágenes de SEM y del AFM de células. La imagen del AFM (parte inferior) es un área empinadura de la célula reflejada con SEM (imagen superior).

Publicamos esto apenas durante hace un año. La puesta en vigor requiere un poco de hardware adicional a exisiting AFMs. Ahora es comercializada por NanoScience Solutions, Inc.

Ahora, apenas literalmente hace dos días, recibí la advertencia de la aceptación de nuestro otro papel que describía otra manera del AFM. Cuando usted desconecta una antena del AFM (su dedo de aprendizaje) de una superficie de la muestra, usted levanta generalmente algunas moléculas y un poco de superficie sí mismo. Toda esa información está allí.

Sin embargo, previamente, esa información fue filtrada fuera porque fue tratada como ruido en las maneras que golpeaban ligeramente sub-resonantes existentes. Qué lo hicimos era de proceso que información antes de que fuera filtrado fuera. Requirió para sujetar una cierta nueva electrónica más rápida al AFM existente. Se ha hecho tan en Bruker AFMs, pero debe trabajar en todo el AFM, incluso los viejos. Los resultados están mucho mejor que preveímos.

Podemos registrar hasta ocho nuevos canales de información, mucho más rápidamente y con menos artefactos comparados a las maneras que golpean ligeramente sub-resonantes existentes. Esta manera también ha sido comercializada ya por NanoScience Solutions, Inc.

Esto es realmente una nueva y prometedora manera. Estamos aplicando actualmente esto para la detección del cáncer, así como colaboradores médicos.

¿Cuáles eran los retos principales que usted tuvo que vencer?

Hemos tenido que hacer frente a retos técnicos y sociales/psicológicos. En relación con los retos técnicos, la microscopia atómica de la fuerza es una técnica bastante joven. Aunque sea casi 30 años, ha pasado a través de los mismos escenarios que todas las nuevas técnicas.

Al principio, había mucho entusiasmo, abuso de la técnica, y el repartir de esta burbuja del interés inicial. Ahora ha comenzado despacio a convertirse en método generalmente aceptado. No obstante, requiere mucho aprendizaje, y aquí es donde los estudiantes tienen que ser preparados. Conseguir apenas un retrato con el AFM no es una gran cosa; registra simple la acción recíproca de la fuerza entre una antena del AFM y una superficie de la muestra.

Sin embargo, si usted no sabe qué fuerza podría ser, después usted puede conseguir algunos artefactos y resultados incorrectos. Ésa es la dificultad más grande. AFM no es apenas una técnica de botón. Usted tiene que interpretar la imagen obtenida. Por supuesto, a veces hay algunos casos simples, pero si usted está realmente en las fronteras con esta técnica, que es la dificultad.

La segunda dificultad se relaciona con la investigación y la educación. Es interesante cómo la educación y la investigación van juntas. Ambos guardan el cambiar. Era hace diversos literalmente cinco o diez años. En los Estados Unidos, si usted está en una posición del arrendamiento-carril, usted tiene que luchar para el dinero. Usted tiene que escribir solicitudes de subvención y los papeles. Es muy duro encontrar hora de aprender algo profundo y nuevo, para ir al laboratorio a hacerlo usted mismo.

Por lo tanto, usted confía típicamente pesado en estudiantes. Pero tienen su propio orden del día, que es conseguir un doctorado. Si ven una nueva o más complicada aproximación comparada a qué publicó tradicionalmente, él intenta conseguir alrededor de él conseguir resultados más rápidos. Si el profesor insiste, pueden decir que “intenté y no trabajó bien”, y entonces utilizan la aproximación más simple mientras que los profesores no tienen simple tiempo para hacer eso ellos mismos.

Por eso la aproximación popular es la más simple. Éste es el problema del AFM porque captura tanto complejidad - usted consigue literalmente la información directa de las acciones recíprocas, incluso acciones recíprocas atómicas en el nanoscale. Usted consigue gigabytes de datos. Si usted quiere realmente tramitar todos esos datos requiere mucho conocimiento e interpretación se está observando de qué. Esto es lo que pienso estoy retrasando la aceptación general de esta técnica.

¿Cómo puede esto ser vencida?

Pienso que es simple psicológico. Algunas personas realizarán eso para conseguir algo bueno con esta técnica que usted necesita invertir un poco más de tiempo. Por otra parte, la tecnología guarda el convertirse y llega a ser más convivial.

Ahora, puedo comparar vario nuevo AFMs por Bruker, por ejemplo, con la transmisión automática del vehículo. Usted no necesita tener el conocimiento de impulsar un vehículo estándar. Mucha gente tiene gusto de él. Asierra al hilo más rápidamente para aprender. Personalmente, tengo gusto de algunos pellizcos, pero al mismo tiempo, odio impulsar un vehículo no automático.

Pienso que con tiempo, la gente conseguirá definitivamente un AFM verdaderamente convivial. Sin embargo, la física y la necesidad en el conocimiento de fuerzas en el nanoscale todavía están allí, y estarán siempre allí. Usted necesita aprender realmente y entender se mide qué y eso sigue siendo una dificultad.

¿Puede usted contornear por favor cómo usted está estudiando propiedades viscoelásticas usando el nanoDMA?

Usted activa simple una superficie con una fuerza de la predefinición para desarrollar una cierta área del contacto, y entonces, usted oscila la antena con varias frecuencias en conjunto. Ahora, trabajamos con diez frecuencias, que es suficiente para muchos usos.

Podemos hacer más. Todavía está sobre el equilibrio del costo del hardware y cuántas frecuencias usted necesita analizar al mismo tiempo. Este método frecuencia-basado es la mayoría de la modelo-independiente una para caracterizar los materiales, determinado materiales suaves como las células.

El alcance de frecuencias es actualmente de único hertz encima de ~500 hertz. La frecuencia máxima es definida por el estudio anterior de polímeros. Para los polímeros, hay una base de datos grande de la información de sus propiedades viscoelásticas hasta 300 hertz, que tiene el patrón oro. Hay una cierta indicación que puede ser que sea interesante ir mismo a los de alta frecuencia. Hay otras personas que hacen la investigación en mediciones viscoelásticas de alta frecuencia, pero pienso que de baja fricción es importante, particularmente para la biología. Es importante para las células, por ejemplo, porque son suaves y no tienen gusto de ser sacudida en las frecuencias de los megaciclos.

¿Cómo el AFM directamente ha avance o ha ayudado su investigación?

El AFM puede medir no sólo a mecánicos y las acciones recíprocas físicas, pero puede medir propiedades, tribología, y dimensión cómo es el artículo la superficie, etc. eléctricos.

El AFM, que es lo mismo que microscopia de la antena de la exploración, es una familia de diversas técnicas. Aunque utilicemos el bastantes de técnicas, no sé de ninguna otra técnica capaz de conseguir a tales una gran cantidad de diversa información sobre superficies. Diría que es mi técnica preferida, aunque estemos utilizando muchos diversos para estudiar el uno mismo-montaje de moléculas en la superficie y las propiedades de células y de tejidos.

Comencé recientemente a estudiar los organoids, una aproximación totalmente diversa que es muy popular actualmente. Esto es porque, cuando usted observa un tumor, por ejemplo, está ni siquiera sin obstrucción que las células son las células cancerosas y, que no son. Esto llegó a ser casi imposible de determinar en el nivel unicelular. Si usted observa las células en una placa de Petri (in vitro), se separan en 2 dimensiones en el substrato sólido. Puede tener una relación muy pequeña a los órganos reales.

Hoy en día qué gente hace, ella ha comenzado a construir una clase de embrión/de semilla de órganos usando las células bien definidas. Esta semilla se llama lamamiento organoide. Se saben todas las células. Se sabe el maquillaje genético. Usted conoce qué células son normales y cuáles son cacerígenos. Esto es un puente entre los dos mundos de in vivo y in vitro.

¿Cuál es la importancia de reuniones, como la conferencia del AFM Biomed, a usted y a la comunidad de investigación del AFM?

Es muy importante porque los profesores están ocupados, y con todos los papeles a leer, es muy duro conseguir una buena opinión de las fronteras y qué está entrando conectado en la comunidad.

La gente no publica resultados negativos, pero en las conferencias, usted puede por lo menos mencionarlo. Desde el punto de vista de aprendizaje, los resultados negativos pueden ser más educativos que positivo. También, usted puede hacer preguntas directamente, que es muy importante.

Finalmente, tales reuniones son el lugar en donde usted puede convencer a gente de que vale el observar de una aproximación determinada. Es quizá difícil, pero lo vale. Puesto que tales reuniones implican profesores y a estudiantes, los profesores tienen un estímulo adicional para activar a estudiantes para investigar más profundamente. Por supuesto, las relaciones personales son importantes para nosotros todos, él también aprovisionan de combustible colaboraciones.

Las reuniones en línea están muy bien para las colaboraciones en curso, pero si usted está pensando en algo nuevo, usted necesita reuniones personales. Además, es muy importante para los estudiantes. A veces, los estudiantes están muy cercanos con los colaboradores tales como sus profesores y sus pares, pero cuando comienzan a ver el mundo él típicamente los motivats ellos mucho. Así, tales reuniones son muy importantes para ellos.

Las conferencias son muy importantes generalmente pero determinado para la microscopia de la fuerza en usos biomédicos. La arena biomédica ha sido el número uno en el horizonte de la microscopia de la fuerza justo después de que fue creada. Con todo therewere tan muchas dificultades que hasta ahora no hay literalmente uso médico de la microscopia atómica de la fuerza.

Pienso que es extremadamente importante ordenar tales conferencias porque estamos intentando ayudar a dar a luz a esta área de usos médicos. Estoy intentando trabajar con los doctores y veo cómo es difícil es. Está no sólo sobre diversos vocabularios, él es un diverso universo, un diverso paradigma y diversas metas.

Para comunicar efectivo las grandes ventajas de usar el AFM en área médica, necesitamos definir un tema que pueda ser determinado interesante para el remedio. Este tipo de conferencias es un gran lugar para discutir estos temas, y puede ser aprobarlo de la comunidad del AFM.

¿Qué dirección usted ve, o quisiera que viera, AFM que entra en los cinco años próximos? ¿Qué usted ve como la cosa grande siguiente para el AFM?

Habrá probablemente una electrónica más rápida, algoritmos más sofisticados, e interfaces más conviviales. ¿La velocidad creciente es una de las partes más interesantes del − de la discusión si la microscopia de la fuerza estará tan rápidamente como el vídeo en tiempo real? Pienso que, pero habría limitado usos, no para todas las muestras.

En segundo lugar, el mando de la antena del AFM es también muy importante. La antena que toca la superficie es típicamente controlada con una reacción. Por ejemplo, la fuerza de la carga que actúa entre la antena y la superficie es mantenida constante durante la exploración por un sistema de votos. Actualmente, el sistema de votos del mando es bastante básico comparado a qué se utiliza en las comunidades que se ocupan de mandos de reacción.                       

Es definitivamente hora para que el sistema de mando sea sofisticado. Como consecuencia, la velocidad de la microscopia de la fuerza aumentaría enormemente, y al mismo tiempo, preservará la muestra. Pienso que habrá nuevos mandos ejecutados en AFMs futuro.

¿Dónde pueden los programas de lectura encontrar más información?

Sobre profesor Igor Sokolov

Igor Sokolov recibió su B.S. en la física de la universidad de estado de St Petersburg, Rusia en 1984, y ganó a su Ph.D. del instituto de D.I. Mendeleev Central para la metrología la oficina soviética de los patrones (NIST ruso), Rusia en 1991. En 1992, él era el beneficiario de la recompensa de la beca de E.L. Ginzton International de la Universidad de Stanford para su trabajo sobre microscopia atómica de la fuerza.

Igor trabajó como socio de investigación en la universidad de la física de Toronto y los departamentos de química antes de mover a la universidad de Clarkson en 2000 para ensamblar su departamento de la física, donde él logró el título del catedrático y sirvió como director de los laboratorios de Nanoengineering y de la biotecnología centran. Ahora él es profesor en la universidad de los penachos y persona de la facultad de Bernard M. Gordon Senior. Durante su carrera, él ha consultado para muchas corporaciones grandes tales como procurador y juego, General Electric, Arkema Group, Inc. y Purdue Pharma.

Él tiene publicaciones arbitradas 150+, incluyendo los gorrones tales como la naturaleza, la nanotecnología de la naturaleza, métodos de la naturaleza, los materiales avanzados, etc…. Él lleva a cabo 20 patentes (publicadas y pendientes). La investigación actual de Igor se centra en el nanomechanics del material, de las moléculas y de las células suaves; microscopia atómica de la fuerza; nanophotonics, y los estudios hacia la comprensión de la naturaleza del cáncer, detección temprana del cáncer basada en propiedades biofísicas alteradas; uno mismo-montaje.

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