Negli ultimi decenni sono stati sviluppati con successo vari metodi per misurare le forze adesive cellulari. Attualmente, diverse tecnologie leader come la microscopia a forza di trazione (TFM), le pinzette ottiche/magnetiche e la microscopia a fluorescenza basata sulla tensione molecolare (MTFM) sono ampiamente utilizzate per misurare le forze cellulari.

Tuttavia, queste tecniche presentano notevoli limitazioni in termini di sensibilità e interpretazione dei dati, che impediscono la nostra capacità di comprendere in modo completo la meccanobiologia. Inoltre, la tecnica MTFM è ostacolata dalla natura stocastica del fotosbiancamento dei fluorofori.

Pertanto, è essenziale sviluppare una nuova tecnica in grado di misurare con precisione le forze adesive cellulari in modo privo di etichetta fluorescente. Questo è fondamentale per far avanzare il campo della meccanobiologia.

Un progetto guidato dal professor Zhiqin Chu del Dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica dell’Università di Hong Kong (HKU) e dal professor Qiang Wei dell’Università del Sichuan ha applicato la tecnologia di rilevamento quantistico senza etichetta per misurare la forza cellulare su scala nanometrica. Ciò supera i limiti del tradizionale apparato di forza cellulare e offre nuove informazioni sullo studio della meccanica cellulare, inclusa l'influenza delle forze di adesione cellulare sulla diffusione delle cellule tumorali.

Il team di ricerca ha sviluppato una nuova microscopia a tensione molecolare di diamante potenziata quantistica (QDMTM) che offre un approccio efficace per lo studio delle forze di adesione cellulare. Rispetto ai metodi di misurazione della forza cellulare che utilizzano sonde fluorescenti, QDMTM ha il potenziale per superare sfide come il fotosbiancamento, la sensibilità limitata e l'ambiguità nell'interpretazione dei dati. Inoltre, i sensori QDMTM possono essere puliti e riutilizzati, migliorando l'accuratezza assoluta del confronto delle forze di adesione cellulare tra vari campioni.

Il nuovo metodo cambia radicalmente il modo di studiare questioni importanti come le interazioni cellula-cellula o cellula-materiale, con implicazioni significative per la biofisica e l’ingegneria biomedica. I risultati sono stati pubblicati su Science Advances , in un articolo intitolato "Microscopia quantistica a tensione molecolare del diamante per quantificare le forze cellulari".

Il gruppo di ricerca ha sviluppato QDMTM combinando l'estensione del polimero (che funge da trasduttore di forza) indotta dalle forze cellulari con il tempo di rilassamento longitudinale di NV. Le proprietà quantistiche uniche degli spin degli elettroni centrali NV nel diamante costituiscono la base fondamentale per la sensibilità e la precisione senza precedenti di QDMTM.

L'unicità di questa innovazione risiede nell'utilizzo di un "trasduttore di forza" che è un polimero sensibile alla forza, in grado di convertire segnali meccanici in segnali magnetici. Misurando le variazioni del tempo di rilassamento dello spin NV causate dal rumore magnetico, è possibile determinare le forze adesive esercitate dalle cellule sul "trasduttore di forza". Le tecniche di misurazione esistenti non sono in grado di misurare efficacemente i segnali magnetici stocastici su scala nanometrica.

L'innovativa tecnica QDMTM offre un approccio efficace allo studio delle forze di adesione cellulare. Attraverso il loro studio, i ricercatori sono riusciti a differenziare con successo le cellule in vari stati di adesione e hanno scoperto che l'entità delle forze cellulari nelle diverse regioni cellulari era in linea con i risultati precedenti.

Ciò suggerisce che il metodo QDMTM è in grado di misurare con precisione le forze di adesione cellulare. La fase successiva della loro ricerca si concentra sull'espansione del sensore quantistico dal diamante sfuso alle particelle di diamante su scala nanometrica, che consentiranno la misurazione delle forze cellulari in qualsiasi direzione.