Onderzoekers die een snelle vorm van atoomkrachtmicroscopie hebben ontwikkeld, hebben aangetoond hoe de fysieke eigenschappen van levende borstkankercellen in beeld kunnen worden gebracht, voor de eerste keer onthullende details over hoe deactivering van een belangrijk eiwit kan leiden tot metastase.

De nieuwe bevindingen leveren ook bewijs voor de mechanismen die betrokken zijn bij de reactie van een cel op geneesmiddelen tegen kanker, zei Arvind Raman, Robert V. Adams, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Purdue University.

Bij atoomkrachtmicroscopie (AFM), een kleine vibrerende sonde, een cantilever genaamd, gaat over een materiaal, nauwkeurig karakteriseren van de topografie en fysieke eigenschappen. Echter, tot nu toe was de procedure te traag om enkele snel veranderende biologische processen in actie vast te leggen.

"Vóór deze opmars kon je alleen de voor en na zien, maar niet wat er tussendoor gebeurde, de dynamiek van het evenement, " zei Raman. "Er is bewijs op basis van dit werk en onze eerdere bevindingen dat er mogelijk een mechanische handtekening is voor resistentie tegen geneesmiddelen."

Geavanceerde modellen stellen onderzoekers in staat AFM-gegevens om te zetten in eigenschappen over de interne steigers van de cel, het corticale actine-cytoskelet genoemd, inclusief de beweging van vezels die actine worden genoemd.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die maandag (29 juni) in het onderzoekstijdschrift verschijnt Wetenschappelijke rapporten , het open access tijdschrift van de Nature Publishing Group. De onderzoekers gebruikten de techniek om borstkankercellen te bestuderen, het onderzoeken van een sleutelenzym genaamd milttyrosinekinase, of Syk.

Kinasen veroorzaken fosforylering van eiwitten, een biochemisch proces dat enzymen kan veranderen en een belangrijke rol speelt in een groot aantal cellulaire processen.

"Dus als je de kinase uitzet, eiwitten worden gedefosforyleerd en dan kunnen er veranderingen optreden, " zei Robert L. Geahlen, Distinguished Professor of Medicinal Chemistry aan Purdue. "We waren in staat om aan te tonen dat de uitschakeling van dit kinase de fysieke eigenschappen van de cel zeer snel verandert. Dus het is ongetwijfeld te wijten aan de fosforyleringsgebeurtenissen die onmiddellijke effecten hebben op cytoskeleteiwitten."

Het artikel is geschreven door voormalig doctoraalstudent Alexander X. Cartagena-Rivera, nu een postdoctoraal onderzoeker bij het National Institutes of Health's National Institute on Deafness and Other Communication Disorders (NIDCD); Purdue postdoctoraal onderzoeksmedewerker Wen-Horng Wang; Geahlen; en Raman.

De onderzoekers bestudeerden borstkankercellen die werden blootgesteld aan een chemische "remmer" die de werking van Syk blokkeert, waardoor de cellen vrij zijn om te metastaseren. Door de nieuwe snellere AFM, de onderzoekers hebben voor het eerst kunnen observeren wat er gebeurt als de remmer wordt toegevoegd.

Na het toevoegen van de remmer, actinebanden verspreiden zich door de cel, waardoor de cel van vorm verandert.

"Dit duurt ongeveer 10 minuten, wat vrij snel is in vergelijking met veel biologische processen, ' zei Raman.

De beelden kunnen worden gemaakt met een snelheid van ongeveer 50 seconden per frame.

"Voordat we dit deden, zou het ongeveer 15 tot 20 minuten duren om één frame te maken, die te traag is om dit overgangsproces waar te nemen, " hij zei.

Er werd aangetoond dat actinebanden in een vegende beweging door de cel bewegen.

"Je denkt aan actine als een steiger, maar het is een dynamische steiger, " zei Raman. "We kunnen actinebanden zien die rondgaan en de fysieke eigenschappen veranderen tijdens de overgang, die voorheen niet werd begrepen."

When Syk is missing or deactivated, breast cancer cells undergo a process called EMT, or epithelial-mesenchymal transition, causing them to become highly motile and to undergo metastasis.

"If this kinase is in the cells, the cells cannot metastasize, so we've been trying to figure out what the mechanisms are by which you have to get rid of this kinase in order to become highly motile and metastatic, " said Geahlen, who is affiliated with the Purdue Center for Cancer Research. "And that's one of the reasons we were looking at this particular type of cancer cell with this particular form of Syk in it."

One goal of the research is to correlate physical properties of cells with tumor suppression and the action of the kinase on the cell.

The advance in AFM technology was accomplished by two innovations:as the cantilever scans a cell it bends differently depending on the properties of the material being scanned. A laser measures this "deflection, " and models convert the data to reveal information about the material's composition. Previous applications of AFM microscopy to study live cells provided feedback on the amplitude and frequency of the vibrating cantilever, but not the deflection. Echter, that approach takes too long to provide images of the quickly changing processes inside living cells. Providing feedback on the deflection instead has now been shown to increase the imaging speed 10-fold, making the method practical for studying cellular processes.

The other innovation is a technique that enables the cantilever to vibrate at two frequencies simultaneously.

"In one scan we can map the local physical properties of the cell, and we can do it fast enough that we compile maps of the changing cell, " Raman said.