Инженеры MIT разработали новый неинвазивный метод измерения жесткости живых клеток с помощью акустических волн. Их техника позволяет им контролировать отдельные клетки в течение нескольких поколений и исследовать, как изменяется жесткость, когда клетки проходят цикл клеточного деления.

Этот подход также может быть использован для изучения других биологических явлений, таких как запрограммированная гибель клеток или метастазирование, говорят исследователи.

«Неинвазивный мониторинг механических свойств отдельных клеток может быть полезен для изучения многих различных типов клеточных процессов», — говорит Скотт Маналис, профессор Эндрю и Эрна Витерби в отделениях биологической инженерии и машиностроения Массачусетского технологического института, член Института Коха при Массачусетском технологическом институте им. Интегративное исследование рака и старший автор исследования.

Это также может быть полезно для анализа того, как опухолевые клетки пациентов реагируют на определенные лекарства, потенциально помогая врачам выбирать лучшие лекарства для отдельных пациентов, говорят исследователи.

Джун Хо Кан, аспирант Массачусетского технологического института, является первым автором статьи, которая выходит в выпуске журнала « Способы природы» от 11 февраля . Среди других авторов постдоки Teemu Miettinen и Georgios Katsikis, аспирантка Линна Чен, приглашенный ученый Селим Олкум и профессор химической инженерии Патрик Дойл.

Уникальное измерение

Новая методика измерений использует технологию, ранее разработанную лабораторией Маналиса для измерения массы клеток. Это устройство, известное как подвесной микроканальный резонатор (SMR), может измерять массу ячеек, когда они протекают через крошечный консоль, заполненную жидкостью, которая вибрирует внутри вакуумной полости. Когда ячейки протекают через канал, их масса слегка изменяет частоту колебаний кантилевера, и масса ячейки может быть рассчитана по этому изменению частоты.

В новом исследовании исследователи обнаружили, что они могут также измерять изменения жесткости в клетке, в частности, клеточной структуры, называемой корой, которая находится чуть ниже клеточной мембраны. Кора, которая помогает определить форму клетки, состоит в основном из актиновых филаментов . Сокращение и расслабление этих филаментов часто происходит во время таких процессов, как деление клеток, метастазирование и запрограммированная гибель клеток , что приводит к изменениям жесткости коры.

За последние пару лет Маналис и его ученики поняли, что вибрация кантилевера также создает акустическую волну, которую можно использовать для измерения жесткости частицы или ячейки, протекающей через устройство. Когда частица протекает через канал, она взаимодействует с акустическими волнами, изменяя общий энергетический баланс. Это изменяет вибрацию кантилевера на величину, которая изменяется в зависимости от жесткости элемента или частицы. Это позволяет исследователям рассчитать жесткость ячейки путем измерения степени изменения вибрации.

Исследователи подтвердили, что их методика точна, измеряя частицы гидрогеля с известной жесткостью, созданные в лаборатории Дойла, и измеряя их при прохождении через устройство.

Акустические волны, используемые для генерации этих измерений, возмущают ячейку всего на 15 нанометров, что намного меньше, чем смещение, создаваемое большинством существующих методов измерения механических свойств.

Деление клеток

Команда MIT показала, что они могут использовать эту методику для повторного измерения жесткости одной ячейки в течение более 20 часов, когда они протекали назад и вперед через устройство SMR. В течение этого времени они могли контролировать жесткость в течение двух или более циклов деления клеток. Они обнаружили, что когда клетки вступают в митоз, жесткость уменьшается, что, по мнению исследователей, связано с набуханием, которое происходит, когда клетки готовятся к делению. Делая снимки клеток, они подтвердили, что кора клетки становится тоньше при набухании клеток.

Исследователи также обнаружили, что жесткость клетки динамически изменяется непосредственно перед ее делением. Актин накапливается в экваториальной области, делая клетку более жесткой, в то время как полярные области становятся более расслабленными, поскольку актины временно истощаются.

«Мы можем использовать наш метод измерения жесткости, чтобы посмотреть на динамику актина без меток, неинвазивным способом», — говорит Канг.

Исследователи планируют начать использовать этот метод для измерения жесткости даже более мелких частиц, таких как вирусы, и выяснить, может ли это измерение быть связано с инфекционностью вируса.

«Измерение жесткости субмикронных частиц с существенной пропускной способностью в настоящее время невозможно при существующих подходах», — говорит Маналис. Такая возможность может помочь исследователям, которые работают над разработкой ослабленных вирусов, которые могут быть протестированы в качестве возможных вакцин. Этот вид измерения также может использоваться для характеристики мельчайших частиц, таких как частицы, используемые для доставки лекарств.

Другое возможное применение — объединение измерения жесткости с измерениями массы и скорости роста, которые лаборатория Маналиса разрабатывала в качестве возможного предиктора того, как отдельные больные раком будут реагировать на определенные лекарства.

«Когда дело доходит до анализов для точной медицины, измерение нескольких функциональных свойств в одной ячейке может помочь сделать тесты более предсказуемыми», — говорит Маналис.