Akustische Wellen können monitor Steifigkeit, die in lebenden Zellen: Technik wirft ein Licht auf die Zellen, die die Gesundheit und Entwicklung

MIT-Ingenieure haben entwickelt eine neue, nicht-invasive Methode zur Messung der Steifigkeit von lebenden Zellen mit akustischen Wellen. Ihre Technik erlaubt es Ihnen, zu überwachen, einzelne Zellen über mehrere Generationen hinweg und untersuchen, wie sich die Steifigkeit ändert, wie Zellen gehen durch die Zellteilung-Zyklus.

Dieser Ansatz könnte auch verwendet werden, zur Untersuchung von biologischen Phänomenen wie den programmierten Zelltod oder die Bildung von Metastasen, sagen die Forscher.

„Nicht-invasive überwachung der einzelnen Zellen mechanische Eigenschaften, die nützlich sein könnten für die Erforschung von vielen verschiedenen Arten von zellulären Prozessen“, sagt Scott Manalis, der Andrew und Erna Viterbi-Professor in den Abteilungen MIT der Biologischen Verfahrenstechnik und Maschinenbau, ein Mitglied der MIT-Koch-Institut für Integrative Cancer Research und der senior-Autor der Studie.

Es könnte nützlich sein, zu analysieren, wie die Patienten tumor-Zellen reagieren auf bestimmte Medikamente, die möglicherweise helfen, ärzte wählen die besten Medikamente für den einzelnen Patienten, sagen die Forscher.

Joon-Ho Kang, ein MIT-student im Aufbaustudium, der erste Autor des Papiers, das erscheint im Feb. 11 Ausgabe von Nature Methods. Andere Autoren zählen postdocs Teemu Miettinen und Georgios Katsikis, student der Lynna Chen, visiting scholar Selim Olcum, und professor of chemical engineering Patrick Doyle.

Ein einzigartiges mess –

Die neue Messtechnik macht Gebrauch von einer Technologie, die Manalis‘ lab zuvor entwickelt zum Messen der Masse von Zellen. Dieses Gerät, bekannt als der suspended microchannel-resonator (SMR), Messung der Masse von Zellen, wie Sie fließen durch einen winzigen Flüssigkeit gefüllte cantilever, der vibriert im inneren ein Vakuum-Hohlraum. Als Zellen fließen durch den Kanal, Ihre Masse geringfügig ändert der cantilever-Schwingung die Frequenz und die Masse der Zelle berechnet werden kann, aus, dass Veränderungen in der Frequenz.

In der neuen Studie entdeckten die Forscher, dass Sie auch zum Messen von änderungen in der Steifigkeit der Zelle — insbesondere, eine Zelle Struktur, die so genannte cortex, der liegt direkt unter der Zellmembran. Der cortex, die hilft, um zu bestimmen, die Form der Zelle und besteht hauptsächlich aus Aktin-Filamenten. Kontraktion und Entspannung dieser Filamente tritt Häufig auf in Prozessen wie der Zellteilung, der Bildung von Metastasen und dem programmierten Zelltod, führt zu Veränderungen in der Steifigkeit des cortex.

In den letzten paar Jahren, Manalis und seine Schüler erkannte, dass die Schwingung des cantilever auch erstellt eine akustische Welle, die verwendet werden können zur Messung der Steifigkeit der Partikel oder die Zelle fließt durch das Gerät. Als Teil fließt durch den Kanal, es interagiert mit den akustischen Wellen, verändert die gesamtenergiebilanz. Dadurch verändert sich die Schwingung des Federbalkens, um einen Betrag variiert, je nach Steifigkeit der Zelle oder des Partikels. Dies ermöglicht es dem Forscher zur Berechnung der Steifigkeit der Zelle durch die Messung, wie viel der Schwingung ändert.

Die Forscher bestätigten, dass Ihre Technik korrekt durch die Messung der hydrogel-Partikel bekannt Steifigkeiten, erstellt in Doyle ‚ s lab, und Messen Sie, als Sie Flossen durch das Gerät.

Die Schallwellen verwendet, um diese Messungen stören die Zelle, indem Sie nur etwa 15 Nanometer, viel kleiner als die Verdrängung produziert, die von den meisten existierenden Verfahren zur Messung von mechanischen Eigenschaften.

Zellteilung

Das MIT-team zeigte, dass Sie könnte diese Technik zur Messung der Steifigkeit einer einzelnen Zelle immer wieder für über 20 Stunden, als Sie Flossen hin und her durch die SMR-Gerät. Während dieser Zeit, Sie waren in der Lage zu überwachen Steifigkeit durch zwei oder mehr Zyklen der Zellteilung. Sie fanden, dass, als Zellen eingeben, Mitose, Steifigkeit sinkt, was die Forscher glauben, ist wegen der Schwellung, das Auftritt, wenn die Zellen sich vorbereiten sich zu teilen. Durch die Belichtung der Zellen, bestätigten Sie, dass die Zelle Rinde wird dünner als die Zelle schwillt an.

Die Forscher fanden auch, dass die Zelle Steifigkeit dynamisch ändert, kurz bevor es teilt. Aktin Reichert sich an der äquatorialen region, so dass die Zelle steifer, während die polar-Regionen werden mehr entspannt als actins sind vorübergehend erschöpft.

„Wir können unsere Art und Weise der Messung der Steifigkeit der Blick auf die Dynamik von Aktin in eine label-freie, nicht-invasive Art und Weise,“ Kang sagt.

Die Forscher planen, starten Sie dieses Verfahren zum Messen der Steifigkeit, noch kleinere Partikel, wie Viren, und zu erforschen, ob diese Messung kann korreliert werden mit einem virus die Infektiosität.

„Messung der Steifigkeit von Submikrometer-Partikeln mit sinnvollen Durchsatz ist derzeit nicht möglich mit der bestehenden Ansätze“ Manalis sagt. Eine solche Fähigkeit könnte den Forschern helfen, die arbeiten auf die Entwicklung von abgeschwächten Viren getestet werden konnten als mögliche Impfstoffe. Diese Art der Messung kann auch benutzt werden, um zu helfen, zu charakterisieren, winzige Partikel, wie Sie für drug-delivery.

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Kombination der Steifigkeit Messung mit der Masse und Wachstums-rate-Messungen, dass Manalis‘ lab wurde entwickelt als ein möglicher Indikator dafür, wie sich die einzelnen Krebs-Patienten reagieren auf bestimmte Medikamente.

„Wenn es um die Tests für Präzision-Medizin -, mess-mehrere funktionale Eigenschaften, die von derselben Zelle könnten helfen, um die tests prädiktiver,“ Manalis sagt.

Finanziert wurde die Forschung von der Koch-Instituts Unterstützen Zuschuss von der National Cancer Institute (NCI), der Ludwig-Centrum für Molekulare Onkologie, der NCI Krebs-Systembiologie-Konsortiums und des Instituts für Kooperative Biotechnologien durch das US Army Research Office.