Een nieuwe techniek die gebruikmaakt van kleine elastische balletjes gevuld met fluorescerende nanodeeltjes, heeft tot doel het begrip van de mechanische krachten tussen cellen uit te breiden, onderzoekers melden. Een door de Universiteit van Illinois geleid team heeft de kwantificering van 3D-krachten aangetoond in cellen die in petrischalen leven, evenals in levende exemplaren. Dit onderzoek kan enkele van de mysteries ontrafelen die verband houden met embryonale ontwikkeling en kankerstamcellen, d.w.z., tumor herbevolkende cellen.

Al decenia, wetenschappers hebben geworsteld om de krachten te kwantificeren, tracties genoemd, dat duwen, trekken en knijpen cellen gedurende hun levenscyclus. De beschikbare instrumenten om kracht te meten waren niet klein genoeg om in intercellulaire ruimtes te passen of gevoelig genoeg om de minuscule bewegingen binnen celkolonies te detecteren.

Hoewel klein op menselijke schaal, de grootte van deze mechanische krachten is verre van triviaal op cellulair niveau. Volgens de nieuwe studie eerder onderzoek door de Illinois-groep en anderen geeft aan dat tractie een fundamentele rol speelt in de celfysiologie.

Het team onder leiding van professor werktuigbouwkunde en techniek Ning Wang rapporteerde hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Als we een enkele cel in een medium in een petrischaal plaatsen, zal deze niet lang overleven, zelfs als we alle benodigde voedingsstoffen leveren, " zei Wang. "De cellen kunnen geen weefsel vormen omdat er geen ondersteuning of steiger is om op te bouwen."

Naarmate cellen groeien en zich voortplanten, ze oefenen krachten op elkaar uit terwijl ze strijden om ruimte. Het team ontdekte dat als ze hun kleine elastische bolletjes injecteren in vroege embryo's van zebravissen en kolonies van melanoomcellen van muizen in petrischalen, ook zij ervaren de krachten.

"De cellen lijken het binnendringen niet erg te vinden, Wang zei. "De bollen zijn gemaakt van een niet-toxische microgel en hoewel de cellen ze rondduwen, ze lijken de ontwikkeling niet te belemmeren."

Om de hoeveelheid kracht te meten die op de cellen wordt uitgeoefend, het team plaatste fluorescerende nanodeeltjes in de bollen. Wanneer de cellen in de bollen knijpen, de nanodeeltjes bewegen allemaal evenveel per krachtgebied. De onderzoekers kunnen vervolgens de bewegingen van de gloeiende deeltjes meten met behulp van fluorescentiemicroscopie om de hoeveelheid kracht te berekenen die op de bollen en cellen wordt uitgeoefend. Met behulp van deze techniek, het team heeft de eerste succesvolle meting van alle drie de soorten kracht gevierd:compressie, spanning en afschuiving - in alle drie de dimensies, zei Wang.

Dit vermogen om kracht in cellen te kwantificeren kan erg belangrijk zijn voor kankercelonderzoek, zei Wang. Het team ontdekte dat wanneer melanoomtumorcellen van muizen in vitro beginnen te reproduceren van een enkele cel tot ongeveer 100 tot 200 cellen, drukspanning neemt niet toe.

"We dachten dat kankercellen in dit vroege groeistadium meer druk zouden genereren terwijl de massa van de tumor toeneemt, zoals we zagen in zebravisembryo's, maar dat doen ze niet, " zei Wang. "We vermoeden dat de kankercellen zich direct na dit stadium beginnen uit te zaaien of uit te zaaien."

Primaire tumoren zijn meestal niet dodelijk, zei Wang. De echte moordenaar lijkt de verspreiding van tumor-herbevolkende cellen van primaire tumoren naar zachte weefsels - met lage intercellulaire tracties - zoals beenmerg, brein, long en lever. "Hoewel het onderliggende mechanisme voor metastase onduidelijk is, we hebben de hypothese geopperd dat tumor-herbevolkende cellen zich zeer snel verspreiden in deze secundaire zachte weefsels. Het vermogen om veranderingen in tracties op intercellulair niveau te meten, kan dienen als een hulpmiddel voor vroege kankerdetectie, ' zei Wang.

Deze microgelboltechnologie kan ook helpen bij het ontrafelen van de mechanismen achter een metastase-stoppend synthetisch medicijn dat onlangs is beschreven door Wang en zijn collega's. In aanvulling, Wang's co-auteurs blijven deze technologie toepassen op stam- en embryonale celonderzoek. "Als andere onderzoekers deze krachtige nieuwe tool zien die we hebben ontwikkeld, ze zullen enthousiast zijn om het in veel verschillende celfysiologie te gebruiken, ontwikkeling en ziekte toepassingen, ' zei Wang.