Tufts-onderzoekers hebben een nieuwe manier gevonden om de eigenschappen van cellen te bestuderen met ongekende resoluties en snelheid, waardoor ze nauwkeuriger kunnen onderzoeken, bijvoorbeeld, de verschillen tussen kankercellen en gezonde. De techniek kan leiden tot snellere en nauwkeurigere diagnostische tests voor een reeks ziekten of zelfs inzicht bieden in hoe we oud worden.

Door gebruik te maken van een combinatie van bestaande spectroscopietechnologieën, Igor Sokolov, een professor in de mechanische en biomedische technologie, en postdoctoraal onderzoeker Maxim Dokukin genereerde mechanische gegevens van weefsels en andere soorten "zachte" biologische materialen met resoluties die wel 100 keer beter zijn dan de huidige methoden. Het onderzoek is deze zomer gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een open-access tijdschrift uitgegeven door de groep die het tijdschrift produceert Natuur . Het werk werd grotendeels gefinancierd door de National Science Foundation.

Sokolov vergelijkt de vooruitgang van de nieuwe techniek met het verschil tussen de optische microscoop, uitgevonden in de 16e eeuw, en de scanning elektronenmicroscoop, ontwikkeld in 1931. Met een optische scoop, je kunt objecten zien die ongeveer zo groot zijn als een groot virus, ongeveer 200 tot 300 nanometer. Scanning elektronenmicroscopen, daarentegen, kan objecten van 1 tot 20 nanometer in beeld brengen, over de grootte van de grote moleculen in DNA. Maar ze zijn niet nuttig met organische materialen, zegt Sokolov.

Het apparaat dat Sokolovs team heeft uitgevonden, dat ze FT-nanoDMA noemen, omdat het gebruik maakt van Fourier-transformatiespectroscopie (FT) en dynamische mechanische spectroscopie (DMA) tot op nanoschaal (nano) - kan nauwkeurig informatie verzamelen over zachte materialen tot 10-50 nanometer.

En dat kan hij snel, het kost minder dan een seconde per oppervlaktepunt om de eigenschappen van een gebied van 100 bij 100 pixels in slechts een paar uur terug te geven. Dat is vergeleken met de 23 dagen die de concurrerende bestaande technologieën nodig hebben. De nieuwe techniek kan ook iets doen wat anderen niet kunnen:dynamische mechanische eigenschappen van individuele cellen bestuderen. Het is op deze schaal "waar meestal nieuwe dingen gebeuren, ', zegt Sokolov.

De nieuwe benadering geeft onderzoekers informatie over de mechanica van zachte materialen, zoals de eiwitten die deel uitmaken van onze huid en haar en lange ketens van moleculen die bekend staan ​​als polymeren, die van nature voorkomen of zijn ontwikkeld. De nieuwe methode meet een eigenschap die bekend staat als visco-elasticiteit - het vermogen van een materiaal om onder druk uit te rekken en terug te stuiteren met een bepaalde snelheid - denk aan Silly Putty versus een rubberen band.

De resulterende gegevens kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van kwaadaardige cellen en gezonde cellen te beoordelen, met de mogelijkheid om zich snel te ontwikkelen, nauwkeurige diagnostische tests, zegt Sokolov. Een beter inzicht in de mechanische eigenschappen van andere soorten cellen zou ook licht kunnen werpen op vaat- en nierziekten, Alzheimer, staar en zelfs het verouderingsproces, om er een paar te noemen, hij zegt.

Een heilige graal van nanomechanica

Bedenk hoe huidcellen veranderen naarmate we ouder worden. "Ze worden dramatisch stijver, " zegt Sokolov. "Kunnen we gedetailleerde verschillen zien in de biomechanische eigenschappen van de cellen? Kunnen we de stijfheid van de oude cellen herstellen om het terug te brengen naar het jonge niveau?"

Onderzoekers meten doorgaans de visco-elasticiteit door materialen bij verschillende frequenties te testen, of trillingen. Wetenschappers scannen één voor één door deze frequenties, zoals het doorklikken van tv-zenders met een afstandsbediening, en onderzoek mechanische eigenschappen bij elk "station". De doorbraak van het team van Sokolov kwam toen ze een manier bedachten om het hele spectrum van frequenties te gebruiken. Ze besloten, "Waarom probeer je ze niet allemaal tegelijk?"

Dat was nog niet eerder gedaan, Sokolov zegt, omdat "je overspraak zou krijgen, " of interferentie tussen de frequenties. "Het duurde zeven jaar om te begrijpen hoe we het konden doen, maar we hebben nu een apparaat dat het nauwkeurig doet."

Hoewel de nieuwe methode hypermodern is - Sokolov noemt het 'een heilige graal van nanomechanica' - mist het één kenmerk dat normaal gesproken wordt geassocieerd met hightech-innovaties:een flink prijskaartje. Dat komt omdat de groep technologieën die hun apparaat gebruikt, inclusief atoomkrachtmicroscopie (AFM), bestaan ​​al 20 jaar of langer. Om ze samen te gebruiken, is niet veel meer nodig dan wat extra computersoftware om de verschillende technologieën te synchroniseren. "Het kan eenvoudig worden geïmplementeerd in bestaande AFM's voor een bescheiden prijs en moet onmiddellijk effect hebben, ' zegt Sokolov.

Atoomkrachtmicroscopie was één, zo niet de, belangrijk instrument dat verantwoordelijk is voor de opkomst van nanotechnologie, merkt Sokolov op, die al meer dan twee decennia gebruik maakt van de AFM. Door deze nieuwe beeldvormingstechniek te ontwikkelen, he and his colleagues have expanded AFM's reach, allowing it to quantify new characteristics of materials at a previously inaccessible scale.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."