Los investigadores han desarrollado una nueva forma de utilizar la microscopía de fuerza atómica para medir rápidamente las propiedades mecánicas de las células a escala nanométrica. un avance que podría allanar el camino para comprender mejor los trastornos inmunitarios y el cáncer.

En su papel de pediatra, Manish Butte, MARYLAND, Doctor, a menudo empujará y pinchará el abdomen de un paciente, sensación de anomalías:bazo hinchado, un ganglio linfático endurecido o un bulto inusual en los intestinos o el hígado. Todavía hay algunas cosas que solo se pueden captar con el tacto, y Butte cree que esta noción se aplica también a células individuales.

Sin embargo, la capacidad de los investigadores para sondear y medir las características de las células vivas ha sido casi inexistente. Recientemente, un equipo de científicos e ingenieros de Stanford se propuso corregir ese desequilibrio con una nueva técnica para mapear células rápidamente. Tuvieron éxito mediante la ingeniería de un gran avance en una tecnología conocida como microscopía de fuerza atómica, o AFM, que a su vez fue inventado en Stanford en 1986.

Un artículo que describe el trabajo se publicó en línea el 11 de noviembre en ACS Nano . Butte, un profesor asistente de inmunología pediátrica, es el autor principal. La autoría principal es compartida por Andrew Wang, Doctor, un ex becario postdoctoral en el laboratorio de Butte, y Karthik Vijayrhagavan, Doctor, quien era estudiante de posgrado y miembro del laboratorio de microfotónica dirigido por Olav Solgaard, Doctor, profesor de ingeniería eléctrica.

"Cómo se siente una célula, sus propiedades mecánicas que afectan la forma en que entra en contacto con otras células y tejidos, es mucho más importante que su apariencia, pero la tecnología simplemente no estaba ahí para permitirnos examinarla, ", Dijo Butte." Hay mucho que aprender al estudiar la mecánica de una célula y sus estructuras justo debajo de la superficie ".

La forma en que Butte y sus colegas usan AFM para medir las propiedades mecánicas de las células es similar a la forma en que un constructor golpea con los nudillos un panel de yeso. escuchando el cambio de tono que le dirá que hay un montante de madera del otro lado. Cuando una sonda AFM toca la superficie de una celda, vibra, y el patrón de estas vibraciones, como las ondas sonoras que se reflejan en el semental, proporciona información mecánica sobre las estructuras de la célula que se toca.

Sin embargo, Las sondas AFM existentes son relativamente grandes y, como resultado, insensible a las altas frecuencias, que comunican gran parte de la información clave sobre las entrañas de una célula. El dispositivo del equipo de Stanford acopla una sonda muy pequeña con una tradicional. Este conjunto permite que el dispositivo detecte oscilaciones más rápidas que los dispositivos convencionales y, respectivamente, para tomar medidas más detalladas y mucho más rápidas.

"La principal diferencia entre este y los microscopios de fuerza atómica anteriores es que podemos medir el impacto de la sonda en la célula muy rápido y obtener lecturas específicas". mientras que los AFM típicos simplemente proporcionan un promedio. Esto nos permite medir con precisión algunos materiales muy blandos por primera vez, "dijo Solgaard, quien también es coautor del artículo.

Las sondas de corriente miden la rigidez celular golpeando la celda una o dos veces por segundo, lo más rápido que las sondas grandes pueden realizar mediciones. La pequeña sonda, sin embargo, puede realizar mediciones detalladas fácilmente de cinco a diez, 000 pulsaciones por segundo debido a su sensibilidad. Él comparó el salto en la sensibilidad con la diferencia entre conducir un Cadillac Escalade por la carretera y empujar un auto de juguete Hot Wheel por la misma superficie:"El pequeño Hot Wheel sentirá cada pequeño golpe mucho más que el Cadillac grande".

'Hermosa solución'

Los AFM miden el movimiento de la sonda haciendo rebotar un láser en su punta. A medida que la punta se mueve hacia arriba y hacia abajo, el láser se refleja. La invención de Stanford acopla la sonda pequeña con la grande por medio de una estructura en forma de horquilla llamada rejilla interferométrica. La rejilla produce un patrón de difracción basado en los movimientos de la pequeña sonda, y permite que el AFM capture cómodamente sus medidas.

"Nuestro consejo en realidad produce una segunda señal, y eso es lo que nos permite obtener muchos más detalles. Desde el punto de vista de la ingeniería, es extremadamente simple hermosa solución, "Solgaard dijo, refiriéndose a las señales difractadas de la rejilla.

Mejor de todo, el dispositivo del equipo se puede conectar directamente a los AFM existentes, potencialmente ahorrando millones de dólares en nuevos equipos que de otro modo podrían gastarse en investigación. Un nuevo AFM puede costar hasta $ 500, 000, según Solgaard.

El objetivo es el equivalente celular de Butte presionando el abdomen de un niño.

"Queremos estudiar la rigidez de las células para comprender qué hay debajo de la superficie y cómo se estructuran las células, "Dijo Wang.

Como demostración, el equipo midió una sección de un glóbulo rojo, haciendo aproximadamente 4 millones de mediciones totales en aproximadamente 10 minutos, todo sin dañar el delicado exterior celular.

"Las mismas mediciones habrían tardado más de un mes en completarse utilizando microscopios de fuerza atómica convencionales, ", dijo Vijayraghavan. La tecnología es tan rápida que el equipo pudo crear una serie de imágenes de lapso de tiempo de una célula viva, cada uno tomado con solo siete minutos de diferencia, un ritmo antes inimaginable.

Aplicaciones potenciales

Las aplicaciones prácticas del dispositivo van desde la comprensión científica básica de la estructura celular hasta la inmunología y la oncología. La comprensión científica de las fuerzas mecánicas que actúan en las células es tan escasa que el campo, que ahora se llama mecanobiología, está realmente en su infancia. según Butte.

Las fuerzas mecánicas del cuerpo pueden provenir de los tejidos, que varían en rigidez desde la materia cerebral más blanda hasta los huesos más rígidos, de la gravedad, e incluso de los movimientos de empujar y tirar de otras células. Las células cancerosas hacen que su entorno sea mecánicamente rígido al secretar sustancias químicas que endurecen la matriz extracelular. Asimismo, las células cancerosas interpretan las fuerzas mecánicas de un tejido para tomar decisiones sobre el crecimiento y la metástasis. También parecen ocurrir circuitos de retroalimentación sorprendentes como este para las células madre en la médula ósea y durante el desarrollo embrionario. Aún se desconoce por completo cómo las células inmunes interpretan las fuerzas mecánicas.

"La fruta que cuelga más abajo es el cáncer. Los cánceres suelen ser más rígidos de lo normal, tejidos sanos y podemos utilizar ese conocimiento para diagnosticar enfermedades. Pero primero, tienes que tener buenos datos, que proporciona nuestro dispositivo, "Dijo Wang. Ya ha utilizado una forma temprana de la nueva sonda de Stanford en un trabajo piloto sobre muestras de cáncer de mama extraídas de mastectomías.

Por su parte, Butte planea usar AFM rápido para estudiar el sistema inmunológico. Espera explorar por qué las células T que de otro modo combatirían enfermedades a menudo permanecen inactivas una vez dentro de un tumor. Él teoriza que la rigidez mecánica del tejido tumoral puede estar impidiendo que las células T entren en contacto libremente con las células cancerosas y activen sus funciones de lucha contra el cáncer. En esencia, es posible que el tumor esté demasiado poblado para que funcionen las células T. En el otro extremo de la gama de rigidez, él cree que las propiedades mecánicas suaves de los tejidos crónicamente inflamados o infectados provocan una hiperactividad del sistema inmunológico, como la autoinmunidad.

Es una teoría que nadie ha explorado todavía debido a barreras técnicas, que el AFM rápido podría superar. El laboratorio de Butte ha comenzado un amplio esfuerzo para vincular las fuerzas mecánicas con las respuestas inmunes a nivel molecular, escamas celulares y tisulares. "Hay tanto que desconocemos sobre las propiedades mecánicas de varios tipos de células y tejidos enfermos. Casi nada, De hecho, "Dijo Butte." El primer paso es sondear. Ahora, Podemos hacerlo."