La rigidità o l'elasticità di una cellula può rivelare molto sul fatto che la cellula sia sana o malata. Cellule cancerogene, ad esempio, sono noti per essere più morbidi del normale, mentre le cellule colpite dall'asma possono essere piuttosto rigide.

Determinare le proprietà meccaniche delle cellule può quindi aiutare i medici a diagnosticare e monitorare la progressione di alcune malattie. I metodi attuali per farlo comportano il sondaggio diretto delle cellule con strumenti costosi, come microscopi a forza atomica e pinzette ottiche, che rendono diretto, contatto invasivo con le cellule.

Ora gli ingegneri del MIT hanno escogitato un modo per valutare le proprietà meccaniche di una cellula semplicemente mediante l'osservazione. I ricercatori utilizzano la microscopia confocale standard per concentrarsi sulla costante, movimenti oscillanti delle particelle di una cellula:movimenti rivelatori che possono essere utilizzati per decifrare la rigidità di una cellula. A differenza delle pinzette ottiche, la tecnica del team non è invasiva, correndo poco rischio di alterare o danneggiare una cella mentre ne sonda il contenuto.

"Ci sono diverse malattie, come alcuni tipi di cancro e asma, dove è noto che la rigidità della cellula è legata al fenotipo della malattia, "dice Ming Guo, l'inglese e Alex d'Arbeloff professore assistente allo sviluppo della carriera nel dipartimento di ingegneria meccanica del MIT. "Questa tecnica apre davvero una porta affinché un medico o un biologo, se desiderano conoscere le proprietà materiali della cellula in un tempo molto rapido, modo non invasivo, ora può farlo".

Guo e lo studente laureato Satish Kumar Gupta hanno pubblicato i loro risultati nel Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Cucchiai per mescolare

Nella sua tesi di dottorato del 1905, Albert Einstein ha derivato una formula, nota come equazione di Stokes-Einstein, che rende possibile calcolare le proprietà meccaniche di un materiale osservando e misurando il movimento delle particelle in quel materiale. C'è solo un problema:il materiale deve essere "in equilibrio, " il che significa che qualsiasi movimento delle particelle deve essere dovuto all'effetto della temperatura del materiale piuttosto che a qualsiasi forza esterna che agisce sulle particelle.

"Puoi pensare all'equilibrio come a una tazza di caffè caldo, " dice Guo. "La sola temperatura del caffè può far disperdere lo zucchero. Ora se mescoli il caffè con un cucchiaio, lo zucchero si scioglie più velocemente, ma il sistema non è più guidato unicamente dalla temperatura e non è più in equilibrio. stai cambiando l'ambiente, mettendo energia e facendo in modo che la reazione avvenga più velocemente."

All'interno di una cellula, organelli come i mitocondri e i lisosomi si muovono costantemente in risposta alla temperatura della cellula. Però, Guo dice, ci sono anche "molti cucchiaini" che agitano il citoplasma circostante, sotto forma di proteine ​​e molecole che, ogni tanto, spingono attivamente organelli vibranti in giro come palle da biliardo.

La costante sfocatura dell'attività in una cellula ha reso difficile per gli scienziati discernere, semplicemente guardando, quali moti sono dovuti alla temperatura e quali sono dovuti a più attivi, processi "a cucchiaio". Questa limitazione, Guo dice, ha "sostanzialmente chiuso la porta all'uso dell'equazione di Einstein e alla pura osservazione per misurare le proprietà meccaniche di una cellula".

Fotogramma per fotogramma

Guo e Gupta hanno ipotizzato che potrebbe esserci un modo per stuzzicare i movimenti guidati dalla temperatura in una cellula osservando la cellula entro un lasso di tempo molto ristretto. Si sono resi conto che le particelle energizzate esclusivamente dalla temperatura mostrano un movimento oscillatorio costante. Non importa quando guardi una particella guidata dalla temperatura, è destinato a muoversi.

In contrasto, i processi attivi che possono far cadere una particella intorno al citoplasma di una cellula lo fanno solo occasionalmente. Vedendo tali movimenti attivi, hanno ipotizzato, richiederebbe l'osservazione di una cella per un periodo di tempo più lungo.

Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori hanno condotto esperimenti su cellule di melanoma umano, una linea di cellule cancerose che hanno scelto per la loro capacità di crescere facilmente e rapidamente. Hanno iniettato piccole particelle di polimero in ogni cellula, quindi monitorato i loro movimenti sotto un microscopio confocale fluorescente standard. Hanno anche variato la rigidità delle cellule introducendo sale nella soluzione cellulare, un processo che estrae l'acqua dalle cellule, rendendoli più compressi e rigidi.

I ricercatori hanno registrato video delle cellule a frame rate diversi e hanno osservato come i movimenti delle particelle cambiassero con la rigidità cellulare. Quando osservavano le cellule a frequenze superiori a 10 fotogrammi al secondo, hanno per lo più osservato particelle che oscillano sul posto; queste vibrazioni sembravano essere causate dalla sola temperatura. Solo a frame rate più lenti hanno individuato più attivi, movimenti casuali, con particelle che sparano a distanze maggiori all'interno del citoplasma.

Per ogni video, hanno tracciato il percorso di una particella e hanno applicato un algoritmo che avevano sviluppato per calcolare la distanza media di viaggio della particella. Hanno quindi inserito questo valore di movimento in un formato generalizzato dell'equazione di Stokes-Einstein.

Guo e Gupta hanno confrontato i loro calcoli di rigidità con le misurazioni effettive effettuate utilizzando pinzette ottiche. I loro calcoli corrispondevano alle misurazioni solo quando usavano il movimento delle particelle catturate a frequenze di 10 fotogrammi al secondo e superiori. Guo dice che questo suggerisce che i movimenti delle particelle che si verificano alle alte frequenze sono effettivamente guidati dalla temperatura.

I risultati del team suggeriscono che se i ricercatori osservano le cellule a frame rate abbastanza veloci, possono isolare i movimenti delle particelle che sono puramente guidati dalla temperatura, e determinare il loro spostamento medio, un valore che può essere direttamente inserito nell'equazione di Einstein per calcolare la rigidità di una cella.

"Ora, se le persone vogliono misurare le proprietà meccaniche delle cellule, possono semplicemente guardarli, " dice Guo.

Il team sta ora lavorando con i medici del Massachusetts General Hospital, che sperano di usare il nuovo, tecnica non invasiva per studiare le cellule coinvolte nel cancro, asma, e altre condizioni in cui le proprietà delle cellule cambiano con il progredire della malattia.

"Le persone hanno un'idea che la struttura cambia, ma i medici vogliono usare questo metodo per dimostrare se c'è un cambiamento, e se possiamo usarlo per diagnosticare queste condizioni, " dice Guo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.