Los investigadores de Tufts han sido pioneros en una nueva forma de estudiar las propiedades de las células a resoluciones y velocidades sin precedentes. permitiéndoles examinar con más precisión, por ejemplo, las diferencias entre las células cancerosas y las sanas. La técnica podría conducir a pruebas de diagnóstico más rápidas y precisas para una variedad de enfermedades o incluso ofrecer información sobre cómo envejecemos.

Usando una combinación de tecnologías de espectroscopia existentes, Igor Sokolov, profesor de ingeniería mecánica y biomédica, y el investigador postdoctoral Maxim Dokukin generó datos mecánicos de tejidos y otros tipos de materiales biológicos "blandos" en resoluciones hasta 100 veces mejores que los métodos actuales. La investigación fue publicada este verano en Informes científicos , una revista de acceso abierto publicada por el grupo que produce la revista Naturaleza . El trabajo fue financiado principalmente por la National Science Foundation.

Sokolov compara el avance de la nueva técnica con la diferencia entre el microscopio óptico, inventado en el siglo XVI, y el microscopio electrónico de barrido, desarrollado en 1931. Con un alcance óptico, puede ver objetos aproximadamente del tamaño de un virus grande, alrededor de 200 a 300 nanómetros. Microscopios electrónicos de barrido, por el contrario, Puede obtener imágenes de objetos tan pequeños como de 1 a 20 nanómetros, aproximadamente del tamaño de las moléculas grandes del ADN. Pero no son útiles con materiales orgánicos, Dice Sokolov.

El dispositivo que ha inventado el equipo de Sokolov, al que llaman FT-nanoDMA, debido a que emplea espectroscopía de transformada de Fourier (FT) y espectroscopía mecánica dinámica (DMA) hasta la nanoescala (nano), puede recopilar información con precisión sobre materiales blandos de hasta 10-50 nanómetros.

Y puede hacerlo rápidamente tomando menos de un segundo por punto de superficie para retransmitir las propiedades de un área de 100 por 100 píxeles en solo unas pocas horas. Eso se compara con los 23 días que requieren las tecnologías existentes de la competencia. La nueva técnica también puede hacer algo que otros no pueden:estudiar las propiedades mecánicas dinámicas de las células individuales. Es en esta escala "donde suelen suceder cosas nuevas, "dice Sokolov.

El enfoque novedoso brinda a los investigadores información sobre la mecánica de los materiales blandos, como las proteínas que componen nuestra piel y cabello y largas cadenas de moléculas conocidas como polímeros, que ocurren naturalmente o están diseñados. El nuevo método mide una característica conocida como viscoelasticidad, la capacidad de un material para estirarse bajo presión y recuperarse a una velocidad definida, piense en Silly Putty frente a una goma elástica.

Los datos resultantes podrían usarse para evaluar las propiedades de las células malignas y las sanas, con el potencial de desarrollarse rápidamente, pruebas de diagnóstico precisas, Dice Sokolov. Una mejor comprensión de las propiedades mecánicas de otros tipos de células también podría arrojar luz sobre las enfermedades vasculares y renales. Alzheimer cataratas e incluso el proceso de envejecimiento, para nombrar unos pocos, él dice.

Un santo grial de la nanomecánica

Considere cómo cambian las células de la piel a medida que envejecemos. "Se vuelven dramáticamente más rígidos, "Dice Sokolov." ¿Podemos ver diferencias detalladas en las características biomecánicas de las células? ¿Podemos corregir la rigidez de las células viejas para devolverla al nivel joven? "

Los investigadores suelen medir la viscoelasticidad probando materiales a varias frecuencias, o tasas de vibraciones. Los científicos escanean estas frecuencias una a la vez, como hacer clic en los canales de televisión con un control remoto, y examinar las propiedades mecánicas en cada "estación". El gran avance del equipo de Sokolov se produjo cuando descubrieron una forma de utilizar todo el espectro de frecuencias. Ellos decidieron, "¿Por qué no probarlos todos a la vez?"

Eso no se había hecho antes, Sokolov dice:porque "tendrías conversaciones cruzadas, "o interferencia entre las frecuencias". Nos llevó siete años comprender cómo podíamos hacerlo, pero ahora tenemos un dispositivo que lo hace con precisión ".

Si bien el nuevo método es de vanguardia, Sokolov lo llama "un Santo Grial de la nanomecánica", carece de una característica normalmente asociada con las innovaciones de alta tecnología:un alto precio. Eso es porque el grupo de tecnologías que emplea su dispositivo, incluyendo microscopía de fuerza atómica (AFM), han existido durante 20 años o más. Usarlos juntos requiere poco más que un software de computadora adicional para sincronizar las diversas tecnologías. "Se puede implementar fácilmente en AFM existentes por un costo moderado y debería proporcionar un impacto inmediato, "Dice Sokolov.

La microscopía de fuerza atómica era una, si no el, principal herramienta responsable del surgimiento de la nanotecnología, señala Sokolov, que ha estado usando AFM durante más de dos décadas. Al desarrollar esta nueva técnica de imagen, él y sus colegas han ampliado el alcance de AFM, permitiéndole cuantificar nuevas características de materiales a una escala previamente inaccesible.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."