Wetenschap
Op diamanten gebaseerde kwantumdetectiemicroscoop biedt een effectieve aanpak voor het kwantificeren van cellulaire krachten
Cellen zijn afhankelijk van een constante wisselwerking en informatie-uitwisseling met hun micro-omgeving om hun overleving te garanderen en biologische functies uit te voeren. Daarom is een nauwkeurige kwantificering van kleine cellulaire adhesiekrachten, variërend van piconewtons tot enkele nanonewtons, cruciaal voor het begrijpen van de complexiteit van krachtmodulatie in cellen.
De afgelopen decennia zijn er met succes verschillende methoden ontwikkeld voor het meten van cellulaire adhesiekrachten. Momenteel worden verschillende toonaangevende technologieën zoals tractiekrachtmicroscopie (TFM), optische/magnetische pincetten en op moleculaire spanning gebaseerde fluorescentiemicroscopie (MTFM) op grote schaal gebruikt voor het meten van cellulaire krachten.
Deze technieken hebben echter opmerkelijke beperkingen in termen van gevoeligheid en data-interpretatie, die ons vermogen belemmeren om de mechanobiologie volledig te begrijpen. Bovendien wordt de MTFM-techniek gehinderd door de stochastische aard van fluorofoor-fotobleken.
Daarom is het essentieel om een nieuwe techniek te ontwikkelen die celadhesiekrachten nauwkeurig kan meten op een fluorescerende labelvrije manier. Dit is cruciaal voor de vooruitgang op het gebied van de mechanobiologie.
Een project onder leiding van professor Zhiqin Chu van de afdeling Electrical and Electronic Engineering aan de Universiteit van Hong Kong (HKU) en professor Qiang Wei van de Universiteit van Sichuan pasten labelvrije kwantumsensortechnologie toe om cellulaire kracht op nanoschaal te meten. Dit overwint de beperkingen van traditionele cellulaire krachtapparaten en biedt nieuwe inzichten in het bestuderen van cellulaire mechanica, inclusief de invloed van cellulaire adhesiekrachten op de verspreiding van kankercellen.
Het onderzoeksteam heeft een nieuwe Quantum-Enhanced Diamond Molecular Tension Microscopy (QDMTM) ontwikkeld die een effectieve aanpak biedt voor het bestuderen van celadhesiekrachten. Vergeleken met methoden voor het meten van celkracht waarbij gebruik wordt gemaakt van fluorescerende sondes, heeft QDMTM het potentieel om uitdagingen zoals fotobleken, beperkte gevoeligheid en dubbelzinnigheid bij de interpretatie van gegevens te overwinnen. Bovendien kunnen QDMTM-sensoren worden gereinigd en hergebruikt, waardoor de absolute nauwkeurigheid van het vergelijken van celadhesiekrachten tussen verschillende monsters wordt vergroot.
De nieuwe methode verandert fundamenteel de manier waarop belangrijke kwesties zoals cel-cel- of cel-materiaal-interacties worden bestudeerd, met aanzienlijke implicaties voor de biofysica en biomedische technologie. De bevindingen zijn gepubliceerd in Science Advances , in een artikel met de titel "Quantum-enhanced diamant moleculaire spanningsmicroscopie voor het kwantificeren van cellulaire krachten."
Het onderzoeksteam ontwikkelde QDMTM door de verlenging van polymeer (die als krachttransducer werkt) geïnduceerd door cellulaire krachten te combineren met de longitudinale relaxatietijd van NV. De unieke kwantumeigenschappen van NV-centrumelektronenspins in diamant dienen als de fundamentele basis voor de ongekende gevoeligheid en precisie van QDMTM.
Het unieke van deze innovatie ligt in het gebruik van een "krachttransducer", een op kracht reagerend polymeer, dat in staat is mechanische signalen om te zetten in magnetische signalen. Door het meten van de veranderingen in de NV-spinrelaxatietijd veroorzaakt door de magnetische ruis, kunnen de adhesiekrachten die door cellen op de "krachttransducer" worden uitgeoefend, worden bepaald. Bestaande meettechnieken zijn niet in staat de stochastische magnetische signalen op nanoschaal effectief te meten.
De innovatieve QDMTM-techniek biedt een effectieve aanpak voor het bestuderen van celadhesiekrachten. Door hun onderzoek konden onderzoekers met succes cellen in verschillende adhesietoestanden differentiëren en ontdekten ze dat de omvang van de cellulaire krachten in verschillende celregio's overeenkwam met de eerdere bevindingen.
Dit suggereert dat de QDMTM-methode in staat is de celadhesiekrachten nauwkeurig te meten. De volgende fase van hun onderzoek richt zich op het uitbreiden van de kwantumsensor van bulkdiamant naar diamantdeeltjes op nanoschaal, waardoor celkrachten in elke richting kunnen worden gemeten.