Als jonge natuurkundige in de voormalige Sovjet-Unie, Igor Sokolov bestudeerde de grootste van de groten:het hele universum. Nutsvoorzieningen, als hoogleraar werktuigbouwkunde aan Tufts, hij is gefocust op de kleine, de nano. Door in te zoomen, manier binnen - Sokolov en zijn collega's bestuderen alles, van bacteriën tot kevers tot op nanoschaalniveau. Nu heeft hij een frisse blik geworpen op een van de oudste problemen van de geneeskunde:kanker.

Het instrument van Sokolov is de atomic force microscope (AFM), die zijn minuscule vingerachtige sonde gebruikt om kleine krachten op zeer kleine schaal te meten, "vrijwel tussen individuele atomen, " zegt hij. Hij kwam deze technologie voor het eerst tegen toen hij meer dan 20 jaar geleden de oorsprong van het universum bestudeerde, over de tijd dat de AFM werd uitgevonden. Hij gebruikte het om bewijs te zoeken voor theoretische elementaire deeltjes. Toen Sokolov er geen vond, zijn werk hielp om die ideeën naar bed te brengen.

Al snel richtte Sokolov het instrument op meer aardse zaken. Tegen 1994, als lid van de afdeling microbiologie van de Universiteit van Toronto, hij was een van de eersten die AFM gebruikte om bacteriën te bestuderen. Inzoomen op een probiotische bacterie die werd gebruikt om Zwitserse kaas te maken, Sokolov onthulde een nooit eerder gedocumenteerd proces waarbij de cel zijn oppervlak herstelt nadat hij chemische schade heeft opgelopen.

Het experiment toonde ook het vermogen van AFM aan om mechanische veranderingen in levende cellen te detecteren met een ongekende resolutie - iets dat nuttig zou zijn in het latere werk van Sokolov. "Dat was het begin van mijn liefde voor biomedische toepassingen, " zegt Sokolov, die ook aanstellingen heeft op de afdelingen biomedische technologie en natuurkunde.

Kanker nader bekijken

Recenter, Sokolov en zijn collega's hebben atoomkrachtmicroscopie gebruikt op enkele van de meest mysterieuze cellen van allemaal:kwaadaardige. De meeste bestaande diagnostische hulpmiddelen gebruiken de chemische voetafdruk van de cellen om kanker te identificeren. In een reeks experimenten van de afgelopen vijf jaar, hij zocht naar fysieke verschillen tussen kankercellen en gezonde cellen die artsen zouden kunnen helpen kanker eerder en nauwkeuriger te diagnosticeren. Vroege opsporing vergroot de overlevingskansen van patiënten aanzienlijk.

Hij en zijn medewerkers hebben enkele veelbelovende resultaten geboekt in voorbereidende studies met baarmoederhals- en blaaskankercellen - "kankers waarbij je cellen kunt oogsten zonder biopsieën - zeer niet-invasieve methoden, " hij maakt duidelijk.

In 2009, Sokolov en zijn collega's aan de Clarkson University in New York bestudeerden gezonde en zieke cellen die vrijwel identiek waren, biochemisch gesproken. Zoekend naar een fysiek of mechanisch verschil dat zou kunnen helpen bij het onderscheiden van de twee soorten cellen, de onderzoekers ontdekten dat de oppervlaktelaag rond kankercellen - wat Sokolov de pericellulaire borstellaag noemt - duidelijk anders was dan die van de normale.

"Dat was zeker nieuw, " hij zegt, opmerkend dat soortgelijke resultaten onlangs werden gepubliceerd door onderzoekers die meer traditionele biochemische methoden gebruikten. "De auteurs noemden die bevindingen het resultaat van de verandering van het paradigma van het kijken naar kanker."

De pericellulaire borstellaag is zoiets als de pelsjas van een cel, en het kan lijken op die van een Perzische kat of die van een schurftige straathond. Het is in de dichtheid en grootte van deze borstellaag dat de onderzoekers significante verschillen vonden tussen kankercellen en gezonde cellen. In een paper uit 2009 gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , het team rapporteerde een relatief uniforme borstellaag in gezonde cellen, terwijl in kankercellen, ze zagen een tweelaagse borstellaag, met schaarse lange haren en dichte korte borstelharen.

Toen de wetenschappers celculturen bestoven met fluorescerende deeltjes, ze konden zien - zelfs met het blote oog - dat de deeltjes aan de kankercellen waren blijven plakken, gloeiende sporen van de ziekte achterlatend.

"Je hebt geen apparaat nodig om het verschil te zien. Het creëerde een zeer sterke zichtbare gradiënt voor kankercellen, ' zegt Sokolov.

Dat gegeven bleek eerder interessant dan bruikbaar als diagnostisch hulpmiddel, Hoewel. Dat komt omdat de verdachte cellen in een schaal moeten worden gekweekt - en wetenschappers kunnen kankercellen al identificeren door ze te zien groeien.

De fractale tijdbom

Dus zocht het team van Sokolov naar andere parameters die pathologen zouden kunnen waarschuwen voor de aanwezigheid van kanker. Na het testen van veel cellulaire kenmerken, de onderzoekers vonden één belangrijke variatie, een eigenschap die 'fractale dimensionaliteit' wordt genoemd.

Fractals worden gedefinieerd als "zelf-gelijkende" patronen die er op verschillende schalen ongeveer hetzelfde uitzien. Ze komen vaak voor in de natuur. Denk aan een boom:de dunste bladdragende twijgen herhalen het patroon van de bredere takken eronder. Ze zien er ongeveer hetzelfde uit als je in- of uitzoomt; je verliest je gevoel voor schaal zonder een ander object om je af te wijzen.

"Fractalen komen typisch voor in de natuur door chaotisch gedrag. Kanker is ook in verband gebracht met chaos. Daarom is veel onderzoekers voorspelden een verband tussen kanker en fractals, " legt Sokolov uit.

En toen zijn team AFM gebruikte om naar het oppervlak van cellen te kijken, de onderzoekers zagen vrijwel een verschil van 100 procent in de fractale dimensionaliteit van normale en kankercellen, een bevinding die ze in het tijdschrift rapporteerden Fysieke beoordelingsbrieven in 2011.

Recenter, Sokolov en zijn collega's konden vaststellen dat deze fractale geometrie optreedt tijdens een specifieke, tussenfase van kankerprogressie. De resultaten - onlangs ingediend voor publicatie - kunnen artsen op een dag niet alleen helpen de ziekte te diagnosticeren, maar ook de voortgang ervan te volgen.

"Tot nu toe is wat we hebben gezien vrij nauwkeurig, veel nauwkeuriger dan alles wat artsen vandaag de dag ter beschikking staan ​​om baarmoederhalskanker te diagnosticeren, " zegt Sokolov. Hij merkt op dat de gemeenschappelijke Pap-uitstrijkje-test vatbaar is voor het opduiken van valse positieven en het missen van vroege kankers.

Hoewel de test de sterftecijfers sinds de introductie heeft verlaagd, het is nooit het onderwerp geweest van een gerandomiseerde gecontroleerde studie - de gouden standaard van wetenschappelijk onderzoek - en er zijn geen universeel aanvaarde definities van de testresultaten, volgens het National Cancer Institute.

"Het heeft nog steeds onvoldoende nauwkeurigheid, leidend tot kostbare en onaangename onnodige biopsieën, ' zegt Sokolov.

Het kankeronderzoek is slechts een van de vele projecten die Sokolov en zijn twee postdoctorale fellows samen met vier afgestudeerde studenten - twee werktuigbouwkundigen en twee biomedische ingenieurs - hebben uitgevoerd in hun laboratoria op 200 Boston Avenue.

De groep, met medewerkers van Tufts Medical Center, Dartmouth College en instellingen in heel Boston, is ook op zoek naar andere nanotech-benaderingen voor de diagnose van kanker. Ze hebben al een hoge resolutie ontwikkeld, hogesnelheidstest die uiteindelijk zou kunnen leiden tot een nieuwe manier om veranderingen in cellen te bestuderen wanneer ze kwaadaardig worden. Meer op lange termijn denken, Sokolov drijft het idee op van een nanodeeltje dat door het lichaam patrouilleert en dat van kleur kan veranderen wanneer het iets slechts detecteert.

"Als een tijdbom, sommige van deze cellen worden kanker, " zegt hij. "In vroege stadia, kanker wordt vrij gemakkelijk gedood, dus een vroege diagnose kan helpen om het uit te roeien."