La rigidez o elasticidad de una célula puede revelar mucho sobre si la célula está sana o enferma. Células cancerígenas, por ejemplo, se sabe que son más suaves de lo normal, mientras que las células afectadas por el asma pueden estar bastante rígidas.

Por lo tanto, determinar las propiedades mecánicas de las células puede ayudar a los médicos a diagnosticar y rastrear la progresión de ciertas enfermedades. Los métodos actuales para hacer esto implican sondear directamente las células con instrumentos costosos, como microscopios de fuerza atómica y pinzas ópticas, que hacen directo, contacto invasivo con las células.

Ahora, los ingenieros del MIT han ideado una forma de evaluar las propiedades mecánicas de una célula simplemente mediante la observación. Los investigadores utilizan microscopía confocal estándar para concentrarse en la constante, Movimientos de agitación de las partículas de una célula:movimientos reveladores que se pueden utilizar para descifrar la rigidez de una célula. A diferencia de las pinzas ópticas, la técnica del equipo no es invasiva, corriendo poco riesgo de alterar o dañar una celda mientras se sondea su contenido.

"Hay varias enfermedades, como ciertos tipos de cáncer y asma, donde se sabe que la rigidez de la célula está relacionada con el fenotipo de la enfermedad, "dice Ming Guo, Brit and Alex d'Arbeloff Career Development Assistant Professor en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Esta técnica realmente abre una puerta para que un médico o biólogo, si quisieran conocer la propiedad material de la celda de una manera muy rápida, forma no invasiva, ahora puedo hacerlo ".

Guo y el estudiante de posgrado Satish Kumar Gupta han publicado sus resultados en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Cucharas para revolver

En su tesis doctoral de 1905, Albert Einstein derivó una fórmula, conocida como la ecuación de Stokes-Einstein, que permite calcular las propiedades mecánicas de un material observando y midiendo el movimiento de partículas en ese material. Solo hay una trampa:el material debe estar "en equilibrio, "lo que significa que cualquier movimiento de partículas debe deberse al efecto de la temperatura del material y no a fuerzas externas que actúen sobre las partículas.

"Puedes pensar en el equilibrio como una taza de café caliente, "Dice Guo." La temperatura del café por sí sola puede hacer que el azúcar se disperse. Ahora, si revuelves el café con una cuchara, el azúcar se disuelve más rápido, pero el sistema ya no es impulsado únicamente por la temperatura y ya no está en equilibrio. Estás cambiando el medio ambiente poniendo energía y haciendo que la reacción suceda más rápido ".

Dentro de una celda Los orgánulos como las mitocondrias y los lisosomas se mueven constantemente en respuesta a la temperatura de la célula. Sin embargo, Guo dice, también hay "muchas minispoons" que agitan el citoplasma circundante, en forma de proteínas y moléculas que, De vez en cuando, empuja activamente orgánulos vibrantes como bolas de billar.

La constante borrosidad de la actividad en una célula ha dificultado a los científicos discernir, simplemente mirando, qué movimientos se deben a la temperatura y cuáles se deben a más activos, Procesos "en forma de cuchara". Esta limitación, Guo dice, "básicamente ha cerrado la puerta al uso de la ecuación de Einstein y la observación pura para medir las propiedades mecánicas de una célula".

Cuadro por cuadro

Guo y Gupta supusieron que podría haber una manera de detectar los movimientos impulsados ​​por la temperatura en una celda mirando la celda dentro de un marco de tiempo muy estrecho. Se dieron cuenta de que las partículas energizadas únicamente por la temperatura exhiben un movimiento constante de sacudidas. No importa cuando mires una partícula impulsada por la temperatura, está obligado a moverse.

A diferencia de, los procesos activos que pueden golpear una partícula alrededor del citoplasma de una célula lo hacen solo ocasionalmente. Al ver esos movimientos activos, ellos hipotetizaron, requeriría mirar una celda durante un período de tiempo más largo.

Para probar su hipótesis, los investigadores llevaron a cabo experimentos con células de melanoma humano, una línea de células cancerosas que eligieron por su capacidad para crecer fácil y rápidamente. Inyectaron pequeñas partículas de polímero en cada celda, luego siguió sus movimientos bajo un microscopio fluorescente confocal estándar. También variaron la rigidez de las células al introducir sal en la solución celular, un proceso que extrae agua de las células. haciéndolos más comprimidos y rígidos.

Los investigadores grabaron videos de las células a diferentes velocidades de cuadro y observaron cómo los movimientos de las partículas cambiaban con la rigidez celular. Cuando observaron las células a frecuencias superiores a 10 fotogramas por segundo, principalmente observaron partículas moviéndose en su lugar; estas vibraciones parecían ser causadas únicamente por la temperatura. Solo a velocidades de cuadro más lentas detectaron más activos, movimientos aleatorios, con partículas disparando a distancias más amplias dentro del citoplasma.

Para cada video, siguieron el camino de una partícula y aplicaron un algoritmo que habían desarrollado para calcular la distancia de viaje promedio de la partícula. Luego introdujeron este valor de movimiento en un formato generalizado de la ecuación de Stokes-Einstein.

Guo y Gupta compararon sus cálculos de rigidez con las mediciones reales que hicieron con pinzas ópticas. Sus cálculos coincidieron con las mediciones solo cuando utilizaron el movimiento de partículas capturadas a frecuencias de 10 fotogramas por segundo y más. Guo dice que esto sugiere que los movimientos de partículas que ocurren a altas frecuencias son de hecho impulsados ​​por la temperatura.

Los resultados del equipo sugieren que si los investigadores observan células a velocidades de cuadro lo suficientemente rápidas, pueden aislar los movimientos de partículas que son impulsados ​​puramente por la temperatura, y determinar su desplazamiento promedio, un valor que se puede conectar directamente a la ecuación de Einstein para calcular la rigidez de una celda.

"Ahora bien, si la gente quiere medir las propiedades mecánicas de las células, ellos pueden simplemente mirarlos, "Dice Guo.

El equipo ahora está trabajando con médicos en el Hospital General de Massachusetts, que esperan usar lo nuevo, técnica no invasiva para estudiar las células implicadas en el cáncer, asma, y otras condiciones en las que las propiedades celulares cambian a medida que avanza la enfermedad.

"La gente tiene la idea de que la estructura cambia, pero los médicos quieren usar este método para demostrar si hay un cambio, y si podemos usar esto para diagnosticar estas afecciones, "Dice Guo.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.