Door levende cellen een 'nano-poke' te geven en de resulterende veranderingen in de intracellulaire omgeving te monitoren, hebben onderzoekers een eerste glimp gekregen van hoe hele cellen reageren op externe mechanische druk.

Een team onder leiding van wetenschappers van het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, gebruikte een techniek genaamd atoomkrachtmicroscopie om kracht uit te oefenen op het oppervlak van verschillende cellen. De methode maakt gebruik van sondes op nanoschaal, met tips van slechts een paar miljardste van een meter groot, om te meten en in kaart te brengen hoe de kracht over het cellulaire oppervlak en door de cel wordt verdeeld.

De onderzoekers gebruikten machine learning om de krachten die ze maten te analyseren en te modelleren. Ze gebruikten ook fixatie- en kleurtechnieken om te bestuderen hoe de krachtvervorming de interne structuren van de cel beïnvloedde, evenals de microtubuli en actinefilamenten waaruit het 'skelet' bestaat.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials .

"Cellen zijn slimme materialen die zich kunnen aanpassen aan verschillende chemische en mechanische stimuli uit hun omgeving", zegt Jun Nakanishi, een van de corresponderende auteurs van het onderzoek en leider van de Mechanobiology Group van het National Institute for Materials Science. Dat aanpassingsvermogen is afhankelijk van snelle feedbackmechanismen om de cel intact en gezond te houden, en er zijn steeds meer aanwijzingen dat het falen van deze cellulaire respons ten grondslag ligt aan een reeks aandoeningen, waaronder diabetes, de ziekte van Parkinson, hartaanvallen en kanker.

Tot nu toe zijn de onderzoeken naar deze cellulaire reacties beperkt gebleven door de gebruikte technieken. Sommige methoden vereisen bijvoorbeeld dat cellen vooraf worden uitgerust met sensoren, zodat ze slechts een klein deel van de reactie kunnen meten. "We hebben een unieke manier bedacht om een ​​cel te 'aanraken' met een 'hand' op nanoschaal, zodat de krachtverdeling over een volledige cel in kaart kon worden gebracht met een nanometerresolutie", zegt Hongxin Wang, de eerste auteur van het onderzoek en JSPS. postdoc bij de leerstoelgroep Mechanobiologie.

Uit het onderzoek bleek dat trek- en drukkrachten worden verdeeld over actinevezels en microtubuli in de cel om hun vorm te behouden, vergelijkbaar met hoe de stokken en touwen van een kampeertent werken. Toen de onderzoekers de krachtdragende functie van actinevezels uitschakelden, ontdekten ze dat de kern zelf ook betrokken is bij het tegengaan van externe krachten, wat de rol van de interne structuur van de kern in de cellulaire stressreactie benadrukt.

Het onderzoeksteam vergeleek ook de reacties van gezonde en kankercellen. Kankercellen bleken beter bestand tegen externe compressie dan gezonde cellen, en het was minder waarschijnlijk dat ze als reactie celdood activeerden.

De bevindingen belichten niet alleen de complexe intracellulaire mechanismen van de stressreactie, maar de ontdekking van verschillende reacties in kankercellen zou een nieuwe manier kunnen bieden om gezonde en kankercellen te onderscheiden – een diagnostisch hulpmiddel gebaseerd op cellulaire mechanica.

Ziekenhuizen gebruiken momenteel de grootte, vorm en structuur van een cel bij het diagnosticeren van kanker. Deze kenmerken bieden echter niet altijd voldoende informatie om het verschil te kunnen zien tussen gezonde en zieke cellen.

"Onze bevindingen bieden een andere manier om de celomstandigheden te controleren door de krachtverdeling te meten, wat de diagnostische nauwkeurigheid dramatisch zou kunnen verbeteren", zegt Han Zhang, een andere corresponderende auteur van het onderzoek en senior onderzoeker van de Electron Microscopy Group, NIMS.

Meer informatie: Hongxin Wang et al., Stress in levende cellen in kaart brengen door atoomkrachtmicroscopie als reactie op omgevingsstimuli, Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2265434

Journaalinformatie: Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen