Voor het eerst hebben wetenschappers gemeten hoeveel individuele cellen in realtime groeien. Dat klinkt misschien eenvoudig, maar het is eigenlijk een enorme technische prestatie. Het is alsof je het gewicht van een klein zandkorreltje onder een elektronenmicroscoop meet terwijl microscopisch klein water eromheen verdampt, terwijl het zand zelf voortdurend een subtiele verandering in de chemische samenstelling ondergaat. Ter vergelijking:deze experimenten lijken op het meten van de groei van een menselijke baby met een precisieschaal die gevoelig genoeg is om tijdens een zwangerschap van negen maanden een enkele zandkorrel te detecteren. En toch heeft dit diepgaande gevolgen voor ons begrip van de menselijke gezondheid, omdat deze metingen laten zien hoe cellen energie gebruiken en reageren op hun omgeving.

“Dit zal ons in staat stellen allerlei fundamentele biologische processen te bestuderen als een functie van de celgrootte”, zegt Daniel Needleman, natuurkundige en bio-ingenieur aan de University of California, Berkeley, en medeleider van het onderzoeksteam. “Nu we de mogelijkheid hebben om deze metingen te doen, kunnen we ons eigenlijk afvragen:hoe variabel is de groei van een cel? Hoe gevoelig is het voor verstoringen? Hoe hangt de groei af van de voedingsstoffen of de omgeving waarin de cel zich bevindt? Wat gebeurt er met de groei als cellen kankerachtig worden en niet meer reageren op normale groeisignalen?”

“Dit is echt een technische mijlpaal op het gebied van eencellige biologie”, zegt Nevan Krogan, kwantitatief bioloog aan de Universiteit van Californië, San Francisco (UCSF) en medeleider van het onderzoeksteam. “Het zal transformatief zijn voor de hele gemeenschap en nieuwe mogelijkheden openen voor het bestuderen van fundamentele biologie en ziektemechanismen op eencellig niveau.”

Needleman en Krogan zijn co-senior auteurs van een onderzoek dat het platform en de eerste resultaten ervan beschrijft, vandaag gepubliceerd (12 mei 2022) in het tijdschrift Cell. Hoewel een handvol groepen al eerder de massa van celpopulaties heeft gemeten, ontwikkelde deze groep het eerste platform om afzonderlijke cellen in realtime te wegen terwijl ze groeien.

Ze ontdekten dat de groeisnelheid van een individuele cel constant is; dat wil zeggen dat de massa in de loop van de tijd gestaag toeneemt. Interessant genoeg betekent dit dat de stofwisselingssnelheid van een cel per massa-eenheid afneemt naarmate deze groeit. Met andere woorden:een kleinere cel is efficiënter in het omzetten van energie uit zijn omgeving in groei dan een grotere cel. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat hun methoden gebruikt konden worden om de efficiëntie te meten waarmee cellen externe voedingsstoffen opnemen en omzetten in groei.

“Als kwantitatief bioloog ben ik gepassioneerd geraakt door het gebruik van precieze, kwantitatieve benaderingen om problemen te bestuderen die tot voor kort te uitdagend of onmogelijk waren om te meten. Om een ​​bijdrage te leveren, moet je deze nieuwe meetinstrumenten bouwen”, zegt Krogan. “Deze inspanning vereiste dat we nieuwe experimentele en computationele benaderingen moesten ontwikkelen en wetenschappers met verschillende achtergronden moesten samenbrengen. Dat zou niet mogelijk zijn geweest als we geïsoleerd hadden gewerkt.”

Het onweegbare wegen

Het nieuwe platform – microfluïdisch wegen genoemd – combineert microfluïdica, wat de nauwkeurige manipulatie van vloeistoffen op submillimeterschaal mogelijk maakt, met kwantitatieve fasebeeldvorming, een relatief nieuwe microscopietechniek die direct de massa van een object meet op basis van de mate waarin het licht buigt.

“De eerste technische uitdaging is simpelweg het manipuleren en vangen van cellen”, legt Daniel Fletcher uit, een bio-ingenieur aan UC Berkeley en co-auteur van de studie, wiens laboratorium het microfluïdische platform ontwikkelde. “Je wilt niet dat er honderdduizenden cellen door je systeem lopen, want dan weet je niet welke cel je meet. Maar je wilt ook niet cel voor cel meten, dat zou te lang duren. We vangen dus tientallen of honderden cellen tegelijk op en laten er media overheen stromen, zodat ze de voedingsstoffen krijgen die ze nodig hebben om te overleven, maar ze blijven daar gevangen. Vervolgens kwam het beeldvormingsteam langs om kwantitatieve fasebeeldvorming te optimaliseren en te implementeren.”

Om kwantitatieve fasebeeldvorming te bereiken, scheen de onderzoekers een lichtstraal door een microkanaal op de cellen, waardoor een beeld werd vastgelegd van het licht zoals het aan de andere kant tevoorschijn kwam. Als er geen cel in het kanaal zou zijn, zou het golffront van het licht ongestoord zijn. Maar als er een cel aanwezig is, buigt het licht af, waardoor het golffront enigszins verandert. Deze verandering in golffront kan computationeel direct worden omgezet in de massa van de cel.

“Door de faseverschuiving van het licht te meten terwijl het door een cel gaat, leiden we de lokale brekingsindex van het materiaal af, die rechtstreeks verband houdt met de dichtheid van de cel”, legt co-auteur Aydogan Ozcan, hoogleraar elektrotechniek, uit. en computerwetenschappen en directeur van het Integrated Optics Lab aan de UCLA. “Omdat we de chemische samenstelling van de cel en de dichtheid van zijn componenten kennen, kunnen we de massa van de cel nauwkeurig bepalen.”

“Deze metingen zijn erg gevoelig”, zegt Needleman. “We kunnen veranderingen in de massa van een enkele cel meten, wat overeenkomt met het feit dat er minder dan 1.000 watermoleculen aan de cel worden toegevoegd.”

Terwijl cellen in de microfluïdische kamer voedingsstoffen uit hun omgeving absorbeerden, breidden ze zich uit en groeiden in massa, zoals verwacht.

“Maar we merkten dat de groeisnelheid niet veranderde naarmate de cellen groter werden”, zegt Needleman. “Dit betekent dat de metabolische motor in een kleine cel feitelijk efficiënter is in het omzetten van energie in groei dan de motor van een grotere cel.”

Het team hoopt dat andere wetenschappers hun technologie zullen overnemen en verder verfijnen om de groei van veel verschillende soorten cellen onder verschillende omstandigheden en omgevingen, waaronder ziekteomstandigheden, te bestuderen.