(Phys.org) — Met behulp van clusters van kleine magnetische deeltjes van ongeveer 1, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, onderzoekers van de UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science hebben aangetoond dat ze kunnen manipuleren hoe duizenden cellen zich delen, morphen en vingerachtige extensies ontwikkelen.

Dit nieuwe hulpmiddel zou in de ontwikkelingsbiologie kunnen worden gebruikt om te begrijpen hoe weefsels zich ontwikkelen, of in kankeronderzoek om te ontdekken hoe kankercellen bewegen en omliggende weefsels binnendringen, aldus de onderzoekers.

De bevindingen van het UCLA-team werden op 14 oktober online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmethoden .

Een cel kan worden beschouwd als een complexe biologische machine die een assortiment van "inputs" ontvangt en specifieke "outputs, "zoals groei, beweging, deling of de productie van moleculen. Naast het type invoer, cellen zijn extreem gevoelig voor de locatie van een ingang, gedeeltelijk omdat cellen "ruimtelijke multiplexing uitvoeren, " hergebruiken van dezelfde fundamentele biochemische signalen voor verschillende functies op verschillende locaties in de cel.

Het begrijpen van deze lokalisatie van signalen is bijzonder uitdagend omdat wetenschappers geen hulpmiddelen hebben met voldoende resolutie en controle om te functioneren in de miniatuuromgeving van een cel. En elk bruikbaar hulpmiddel zou in staat moeten zijn om veel cellen met vergelijkbare kenmerken tegelijkertijd te verstoren om een ​​nauwkeurige verdeling van reacties te bereiken, omdat de reacties van individuele cellen kunnen variëren.

Om dit probleem aan te pakken, een interdisciplinair UCLA-team met onder meer universitair hoofddocent bio-engineering Dino Di Carlo, postdoctoraal wetenschapper Peter Tseng en hoogleraar elektrotechniek Jack Judy ontwikkelden een platform om magnetische nanodeeltjes nauwkeurig te manipuleren in uniform gevormde cellen. Deze nanodeeltjes produceerden een lokaal mechanisch signaal en gaven duidelijke reacties van de cellen.

Door de reacties van duizenden afzonderlijke cellen met dezelfde vorm op lokale door nanodeeltjes geïnduceerde stimuli te bepalen, de onderzoekers waren in staat om een ​​geautomatiseerde middeling uit te voeren van de reactie van de cellen.

Om dit platform te bereiken, het team moest eerst de uitdaging overwinnen om zulke kleine deeltjes (elk met een afmeting van 100 nanometer) door het stroperige binnenste van een cel te verplaatsen zodra de cellen ze verzwolgen. Met behulp van ferromagnetische technologieën, waarmee magnetische materialen "aan" en "uit" kunnen schakelen, "Het team ontwikkelde een aanpak om een ​​raster van kleine ferromagnetische blokken in een microgefabriceerd glasplaatje in te bedden en om individuele cellen nauwkeurig in de buurt van deze blokken te plaatsen met een patroon van eiwitten die aan cellen hechten.

Wanneer een extern magnetisch veld op dit systeem wordt toegepast, de ferromagnetische blokken zijn "aan" geschakeld en kunnen daarom de nanodeeltjes in specifieke richtingen in de cellen trekken en ze uniform uitlijnen. De onderzoekers konden dan de krachten in duizenden cellen tegelijk vormgeven en beheersen.

Met behulp van dit platform, het team toonde aan dat de cellen op verschillende manieren op deze lokale kracht reageerden, ook in de manier waarop ze verdeelden. Wanneer cellen het proces van replicatie doorlopen om twee cellen te maken, de delingsas hangt af van de vorm van de cel en de verankeringspunten waarmee de cel zich aan het oppervlak vasthoudt. De onderzoekers ontdekten dat de kracht die door de nanodeeltjes wordt veroorzaakt, de as van celdeling kan veranderen, zodat de cellen zich in plaats daarvan in de richting van de kracht verdelen.

De onderzoekers zeiden dat deze gevoeligheid voor kracht licht kan werpen op de ingewikkelde vorming en strekking van weefsels tijdens de embryonale ontwikkeling. Naast het aansturen van de delingsas, ze ontdekten dat door nanodeeltjes geïnduceerde lokale kracht ook leidde tot de activering van een biologisch programma waarin cellen filopodia genereren, die vingerachtig zijn, actinerijke extensies die cellen vaak gebruiken om plaatsen te vinden om zich aan te hechten en die helpen bij beweging.

Di Carlo, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, stelt zich voor dat de techniek kan worden toegepast buiten de controle van mechanische stimuli in cellen.

"Nanodeeltjes kunnen worden gecoat met een verscheidenheid aan moleculen die belangrijk zijn bij celsignalering, " zei hij. "We zouden nu een hulpmiddel moeten hebben om kwantitatief te onderzoeken hoe de precieze locatie van moleculen in een cel een specifiek gedrag veroorzaakt. Dit is een belangrijk ontbrekend stuk in onze toolset voor het begrijpen van celprogramma's en voor het engineeren van cellen om nuttige functies uit te voeren."