Een eerste in zijn soort op nanodeeltjes gebaseerde in vivo beeldvormingstechniek die ooit kan worden gebruikt om kanker te diagnosticeren en zelfs te behandelen, is ontwikkeld door onderzoekers die samenwerken uit de staat Michigan, Johns Hopkins en Stanford-universiteiten.

De techniek legt mechanische eigenschappen vast in levende onderwerpen die fundamentele relaties tussen fysica en in vivo (in een levend organisme) biologie onderzoeken. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Materialen vandaag .

Bryan Smit, universitair hoofddocent biomedische technologie aan de MSU, werkte samen met collega's om de kleine deeltjes te ontwikkelen, die, eenmaal in levende cellen, kan belangrijke informatie over de celstructuur onthullen, inclusief hoe tumorcellen fysiek veranderen als ze een tumor vormen.

"We hebben voor het eerst de mogelijkheid ontwikkeld om de nanomechanische eigenschappen van individuele levende cellen in het lichaam van een levend dier te meten en te kwantificeren, ' zei Smit.

In een onderzoek eerder dit jaar, Smith en zijn team ontwierpen nanodeeltjes die atherosclerose hielpen "opeten", de opbouw van plaque in slagaders die kan leiden tot een hartaanval. De deeltjes kwamen selectief de cellen van het immuunsysteem binnen die bekend staan ​​als macrofagen, het afleveren van een medicijn dat cellen instrueert om de schadelijke plaques te verslinden.

Nutsvoorzieningen, Smith en zijn collega's hebben een techniek ontwikkeld met behulp van verschillende nanodeeltjes die in verschillende celtypen kunnen worden ingebed. inclusief kankerachtige borstcellen, bij levende dieren. Analyseren hoe de deeltjes in de cel bewegen, kan veel onthullen over de interne fysieke eigenschappen ervan.

"Er bestond voorheen geen methode om mechanische eigenschappen bij levende proefpersonen te onderzoeken - bijvoorbeeld, bij zoogdieren - met een hoge ruimtelijke resolutie, " bovengenoemde Smith. "Dergelijke technieken beloven geheel nieuwe wegen van onderzoek voor zowel ziektediagnose als behandeling te openen."

Het is bekend dat de mechanische eigenschappen van biologische weefsels een belangrijke rol spelen bij veel ziektetoestanden, waaronder hartaandoeningen, ontstekingen en kanker, evenals normale fysiologie zoals celmigratie en ontwikkeling van organismen. In de huidige studie, Smith en zijn team gebruikten nanodeeltjes om eerst de mechanische eigenschappen te vergelijken tussen cellen in kweek - zowel standaard 2D als 3D - en in levende dieren.

Het volgen van de beweging van de nanodeeltjes onthulde dat de omgeving waarin de cellen worden waargenomen een grote invloed heeft op hun mechanische eigenschappen - wat zou kunnen betekenen dat bepaalde celmodellen niet zulke geldige representaties van levende dieren zijn.

"Dit vertelt kankerwetenschappers die geïnteresseerd zijn in kankermechanica dat 2D-aandoeningen slecht kunnen worden gerepliceerd, en dat bepaalde 3D-omstandigheden aanzienlijk dichterbij komen, om omstandigheden binnen de levende muis na te bootsen, ' zei Smit.

In het volgende deel van het experiment werd gekeken naar wat er werkelijk gebeurt met de interne structuur van kankercellen wanneer ze tumoren beginnen te vormen. Eerdere methoden konden de vraag niet beantwoorden omdat ze te invasief waren om bij levende proefpersonen te testen.

Opnieuw, het observeren van de beweging van de nanodeeltjes in de cellen, het team gemeten hoe "compatibel, " of zacht, de cellen waren. belangrijk, ze ontdekten dat de buigzaamheid van normale cellen in de loop van de tijd stabiel bleef, maar toen kankercellen in een week tijd een tumor vormden, ze verstijfden.

"We ontdekten dat als zich een tumor begint te vormen in een levende muis, individuele tumorcellen verstijven mechanisch. Dit is een fundamentele bevinding die uiteindelijk waarschijnlijk gevolgen zal hebben voor de verspreiding van kanker (metastase) en de dodelijkheid van de tumor, " zei Smith. "De ontdekking werd mogelijk gemaakt door de integratie van state-of-the-art imaging- en deeltjesvolgtechnologieën van onze laboratoria en die van onze medewerkers."

Het onderzoek kent een aantal veelbelovende toepassingen in de geneeskunde. Een daarvan is eenvoudigweg evalueren welke celcultuurmethoden net als levende organismen voldoende zijn om zinvolle informatie te verstrekken. Een andere is het meten van de celmechanische eigenschappen van gemeenschappelijke biologische functies, inclusief orgaanontwikkeling, in levende organismen.

Misschien wel de meest opwindende toepassing is misschien wel de diagnose en behandeling van ziekten, zei Smit. Nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om de gezondheid van cellen en de soorten veranderingen die ze ondergaan in ziekteprocessen te volgen - en kunnen zelfs dat verloop veranderen.

Smith en zijn collega's zijn van plan te kijken naar de vorming en verspreiding van kankermetastasen, die ongeveer 90% van de sterfgevallen door kanker veroorzaken.

"Ik hoop dat we op een dag in staat zullen zijn om de fysica van metastase te behandelen, "zei hij. "Maar, we moeten eerst de mechanica begrijpen en hoe het veranderen ervan het celgedrag beïnvloedt. Dat zijn we nu aan het onderzoeken."