De stijfheid of elasticiteit van een cel kan veel onthullen over de vraag of de cel gezond of ziek is. Kankercellen, bijvoorbeeld, waarvan bekend is dat ze zachter zijn dan normaal, terwijl door astma aangetaste cellen nogal stijf kunnen zijn.

Het bepalen van de mechanische eigenschappen van cellen kan artsen dus helpen bij het diagnosticeren en volgen van de progressie van bepaalde ziekten. De huidige methoden om dit te doen, omvatten het rechtstreeks sonderen van cellen met dure instrumenten, zoals atomic force microscopen en optische pincetten, die directe, invasief contact met de cellen.

Nu hebben MIT-ingenieurs een manier bedacht om de mechanische eigenschappen van een cel eenvoudig door observatie te beoordelen. De onderzoekers gebruiken standaard confocale microscopie om in te zoomen op de constante, schuddende bewegingen van de deeltjes van een cel - veelbetekenende bewegingen die kunnen worden gebruikt om de stijfheid van een cel te ontcijferen. In tegenstelling tot optische pincetten, de techniek van het team is niet-invasief, weinig risico lopen om een ​​cel te veranderen of te beschadigen terwijl de inhoud ervan wordt onderzocht.

"Er zijn verschillende ziekten, zoals bepaalde vormen van kanker en astma, waarvan bekend is dat stijfheid van de cel verband houdt met het fenotype van de ziekte, " zegt Ming Guo, de Brit en Alex d'Arbeloff Assistent-professor voor loopbaanontwikkeling aan de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Deze techniek opent echt een deur zodat een arts of bioloog, als ze de materiële eigenschap van een cel heel snel willen weten, niet-invasieve manier, kan het nu."

Guo en promovendus Satish Kumar Gupta hebben hun resultaten gepubliceerd in het Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Roerlepels

In zijn proefschrift uit 1905, Albert Einstein heeft een formule afgeleid, bekend als de Stokes-Einstein-vergelijking, dat maakt het mogelijk om de mechanische eigenschappen van een materiaal te berekenen door de beweging van deeltjes in dat materiaal te observeren en te meten. Er is maar één addertje onder het gras:het materiaal moet "in evenwicht zijn, " wat betekent dat alle deeltjesbewegingen het gevolg moeten zijn van het effect van de temperatuur van het materiaal in plaats van externe krachten die op de deeltjes inwerken.

"Je kunt evenwicht zien als een warme kop koffie, " zegt Guo. "Alleen de temperatuur van de koffie kan ervoor zorgen dat de suiker zich verspreidt. Als je nu de koffie roert met een lepel, de suiker lost sneller op, maar het systeem wordt niet meer alleen door temperatuur aangedreven en is niet meer in evenwicht. Je verandert de omgeving, er energie in steken en de reactie sneller laten verlopen."

Binnen een cel, organellen zoals mitochondriën en lysosomen schudden constant in reactie op de temperatuur van de cel. Echter, Guo zegt, er zijn ook "vele minilepels" die het omringende cytoplasma opschudden, in de vorm van eiwitten en moleculen die, om de zoveel tijd, duw actief trillende organellen rond als biljartballen.

De constante vervaging van activiteit in een cel heeft het voor wetenschappers moeilijk gemaakt om te onderscheiden, gewoon door te kijken, welke bewegingen het gevolg zijn van temperatuur en welke het gevolg zijn van actievere, "lepelachtige" processen. Deze beperking, Guo zegt, heeft "in feite de deur gesloten voor het gebruik van de vergelijking van Einstein en pure observatie om de mechanische eigenschappen van een cel te meten."

Frame voor frame

Guo en Gupta vermoedden dat er een manier zou kunnen zijn om temperatuurgestuurde bewegingen in een cel op te sporen door binnen een zeer korte tijd naar de cel te kijken. Ze realiseerden zich dat deeltjes die alleen door temperatuur worden geactiveerd, een constante wiebelende beweging vertonen. Het maakt niet uit wanneer je naar een temperatuurgestuurd deeltje kijkt, het gaat zeker bewegen.

In tegenstelling tot, actieve processen die een deeltje rond het cytoplasma van een cel kunnen slaan, doen dit slechts af en toe. Bij het zien van zulke actieve bewegingen, zij veronderstelden, zou vereisen dat u over een langere periode naar een cel moet kijken.

Om hun hypothese te testen, deden de onderzoekers experimenten op menselijke melanoomcellen, een lijn van kankercellen die ze kozen vanwege hun vermogen om gemakkelijk en snel te groeien. Ze injecteerden kleine polymeerdeeltjes in elke cel, volgden vervolgens hun bewegingen onder een standaard confocale fluorescentiemicroscoop. Ze varieerden ook de stijfheid van de cellen door zout in de celoplossing te brengen - een proces dat water uit cellen haalt, waardoor ze meer gecomprimeerd en stijf.

De onderzoekers namen video's van de cellen op met verschillende framesnelheden en observeerden hoe de bewegingen van de deeltjes veranderden met celstijfheid. Toen ze de cellen bekeken met frequenties hoger dan 10 frames per seconde, ze observeerden meestal deeltjes die op hun plaats schudden; deze trillingen bleken alleen door de temperatuur te worden veroorzaakt. Alleen bij lagere framesnelheden zagen ze actiever, willekeurige bewegingen, met deeltjes die over grotere afstanden binnen het cytoplasma schieten.

Voor elk filmpje ze volgden het pad van een deeltje en pasten een algoritme toe dat ze hadden ontwikkeld om de gemiddelde reisafstand van het deeltje te berekenen. Vervolgens stopten ze deze bewegingswaarde in een algemeen formaat van de Stokes-Einstein-vergelijking.

Guo en Gupta vergeleken hun berekeningen van stijfheid met werkelijke metingen die ze met een optisch pincet deden. Hun berekeningen kwamen alleen overeen met metingen wanneer ze de beweging gebruikten van deeltjes die werden vastgelegd met frequenties van 10 frames per seconde en hoger. Guo zegt dat dit suggereert dat deeltjesbewegingen die optreden bij hoge frequenties inderdaad temperatuurgestuurd zijn.

De resultaten van het team suggereren dat als onderzoekers cellen met snel genoeg framesnelheden observeren, ze kunnen deeltjesbewegingen isoleren die puur worden aangedreven door temperatuur, en hun gemiddelde verplaatsing te bepalen - een waarde die direct kan worden aangesloten op de vergelijking van Einstein om de stijfheid van een cel te berekenen.

"Als mensen nu de mechanische eigenschappen van cellen willen meten, ze kunnen er gewoon naar kijken, ' zegt Guo.

Het team werkt nu samen met artsen in het Massachusetts General Hospital, die hopen de nieuwe te gebruiken, niet-invasieve techniek om cellen te bestuderen die betrokken zijn bij kanker, astma, en andere aandoeningen waarbij celeigenschappen veranderen naarmate een ziekte vordert.

"Mensen hebben het idee dat structuur verandert, maar artsen willen deze methode gebruiken om aan te tonen of er een verandering is, en of we dit kunnen gebruiken om deze aandoeningen te diagnosticeren, ' zegt Guo.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.