Para someterse a imágenes de alta resolución, las células a menudo deben cortarse en rodajas y en cubitos, deshidratado, pintado con manchas tóxicas, o incrustado en resina. Para las celdas, el resultado es una muerte segura.

Pero si los investigadores solo pueden ver el funcionamiento interno de las células muertas, solo ven una parte de la historia. No pueden monitorear los procesos dinámicos en tiempo real de las células vivas, como reacciones metabólicas o respuestas a enfermedades o tratamientos.

"Los componentes y estructuras subcelulares tienen una profunda influencia en el comportamiento de la compleja biología de la maquinaria y los sistemas celulares, ", dijo Gajendra Shekhawat de la Universidad de Northwestern." Sin embargo, desentrañar las estructuras y componentes dentro de la célula es un gran desafío porque son muy frágiles ".

Ahora Shekhawat y Vinayak P. Dravid, el profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en Northwestern Engineering, han desarrollado un novedoso sistema de imágenes no invasivo que permite ver la arquitectura subcelular de células vivas con una resolución de escala nanométrica. Llamada Bioprobe de Ultrasonido, la técnica combina ondas de ultrasonido con microscopía de fuerza atómica, interactuando con células vivas para determinar los cambios en su comportamiento mecánico.

Con el apoyo de la National Science Foundation (NSF) y el National Heart, Pulmón, y el Instituto de Sangre, la investigación fue publicada recientemente en Avances de la ciencia . Shekhawat y Dravid fueron los coautores correspondientes del artículo. Shekhawat, un profesor asociado de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, también fue el primer autor del artículo. La investigación se completó en el Centro Experimental de Caracterización Atómica y Nanoescala (NUANCE) de la Universidad de Northwestern. NUANCE es la instalación líder en el Programa Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI) respaldado por NSF, que tiene su sede en Northwestern y se llama Recurso Experimental de Nanotecnología Suave e Híbrida (SHyNE).

A pesar de los recientes avances en imágenes, Actualmente no existe un método único que proporcione imágenes de alta resolución y alta sensibilidad de estructuras subcelulares vivas. Microscopía fluorescente y confocal, que son métodos tradicionales para monitorear las interacciones biológicas dentro de las células, sufren de una resolución espacial deficiente y requieren tintes o etiquetas invasivas para mejorar el contraste y resaltar las estructuras dentro de los tejidos biológicos. Las imágenes de ondas luminosas y acústicas no pueden ver estructuras de menos de unos pocos cientos de nanómetros. La microscopía de sonda de barrido puede proporcionar una resolución espacial muy alta, pero solo puede identificar estructuras de superficie en lugar de mirar dentro de una célula. Y aunque la microscopía electrónica puede ver detalles finos a nivel subcelular, es una técnica destructiva que no se puede utilizar para tejidos biológicos vivos.

"Han existido muchos obstáculos, "dijo Dravid, quien dirige el Centro NUANCE y el Recurso SHyNE. "Caracterización de la dinámica compleja de procesos biológicos, especialmente las vías de señal en resolución a nanoescala, sigue siendo un desafío ".

Sonda de ultrasonido de Shekhawat y Dravid, sin embargo, evita estos problemas. Sus ondas de ultrasonido generan imágenes no invasivas de características intracelulares profundamente enterradas. Y su sonda de microscopía de fuerza atómica proporciona alta sensibilidad y contraste mecánico de las ondas de ultrasonido dispersas. ¿El resultado? No destructivo notablemente de alto contraste, Imágenes a nanoescala de estructuras y componentes en el interior de células y tejidos vivos.

"Con este enfoque no invasivo, podemos monitorear imágenes en tiempo real de los cambios nanomecánicos en sistemas biológicos complejos, ", Dijo Shekhawat." Esto podría proporcionar pistas para el diagnóstico temprano y posibles vías para desarrollar estrategias terapéuticas ".

Próximo, el equipo planea expandir su técnica a diversas aplicaciones biomédicas, como la nanomecánica de tejidos blandos como la piel, esmaltes y huesos para probar su arquitectura tridimensional hasta una resolución espacial a nanoescala.

"Una variación significativa en las nanoestructuras y la mecánica celular puede verse directamente influenciada por las condiciones de cáncer de una célula, "Dijo Dravid." Así que Ultrasound Bioprobe también podría ampliar nuestra comprensión fundamental de la nanomecánica en juego dentro de las células cancerosas ".