I ricercatori che hanno sviluppato una forma ad alta velocità di microscopia a forza atomica hanno mostrato come visualizzare le proprietà fisiche delle cellule vive del cancro al seno, per la prima volta rivelando dettagli su come la disattivazione di una proteina chiave possa portare a metastasi.

Le nuove scoperte stanno anche fornendo prove dei meccanismi coinvolti nella risposta di una cellula ai farmaci antitumorali, disse Arvind Raman, Robert V. Adams Professore di ingegneria meccanica della Purdue University.

Nella microscopia a forza atomica (AFM), una minuscola sonda vibrante chiamata cantilever passa sopra un materiale, caratterizzando con precisione la sua topografia e le proprietà fisiche. Però, prima d'ora la procedura è stata troppo lenta per registrare alcuni processi biologici in rapida evoluzione in atto.

"Prima di questo progresso potevi vedere solo il prima e il dopo, ma non quello che è successo nel mezzo, la dinamica dell'evento, " Ha detto Raman. "Ci sono prove basate su questo lavoro e sui nostri precedenti risultati che potrebbe esserci una firma meccanica alla resistenza ai farmaci".

I modelli avanzati consentono ai ricercatori di convertire i dati AFM in proprietà sull'impalcatura interna della cellula, chiamato citoscheletro di actina corticale, compreso il movimento delle fibre chiamate actina.

I risultati sono dettagliati in un articolo apparso lunedì (29 giugno) sulla rivista di ricerca Rapporti scientifici , la rivista ad accesso aperto del Nature Publishing Group. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica per studiare le cellule del cancro al seno, sondando un enzima chiave chiamato tirosina chinasi della milza, o Syk.

Le chinasi causano la fosforilazione delle proteine, un processo biochimico che può alterare gli enzimi e svolge un ruolo significativo in un'ampia gamma di processi cellulari.

"Quindi se spegni la chinasi, le proteine ​​verranno defosforilate e quindi potrebbero verificarsi cambiamenti, " ha detto Robert L. Geahlen, Distinguished Professor di Chimica Farmaceutica a Purdue. "Siamo stati in grado di dimostrare che la disattivazione di questa chinasi altera molto rapidamente le proprietà fisiche della cellula. Quindi è senza dubbio dovuto agli eventi di fosforilazione che stanno avendo effetti immediati sulle proteine ​​del citoscheletro".

Il documento è stato scritto dall'ex studente di dottorato Alexander X. Cartagena-Rivera, ora borsista post-dottorato presso l'Istituto nazionale sulla sordità e altri disturbi della comunicazione (NIDCD) del National Institutes of Health; Wen-Horng Wang, associato di ricerca post-dottorato di Purdue; Geahlen; e Raman.

I ricercatori hanno studiato le cellule del cancro al seno esposte a un "inibitore" chimico che blocca il funzionamento di Syk, lasciando le cellule libere di metastatizzare. Grazie al nuovo AFM ad alta velocità, i ricercatori per la prima volta hanno potuto osservare cosa succede quando viene aggiunto l'inibitore.

Dopo aver aggiunto l'inibitore, le bande di actina si propagano attraverso la cellula, inducendo la cellula a cambiare forma.

"Ci vogliono circa 10 minuti, che è abbastanza veloce rispetto a molti processi biologici, " ha detto Raman.

Le immagini possono essere scattate a una velocità di circa 50 secondi per fotogramma.

"Prima di farlo, ci volevano dai 15 ai 20 minuti per scattare un fotogramma, che è troppo lento per osservare questo processo di transizione, " Egli ha detto.

È stato dimostrato che le bande di actina si muovono con un movimento ampio attraverso la cellula.

"Pensi di agire come un'impalcatura, ma è un'impalcatura dinamica, " ha detto Raman. "Possiamo vedere bande di actina che vanno in giro e cambiano le proprietà fisiche durante la transizione, che prima non si capiva".

Quando Syk è mancante o disattivato, le cellule del cancro al seno subiscono un processo chiamato EMT, or epithelial-mesenchymal transition, causing them to become highly motile and to undergo metastasis.

"If this kinase is in the cells, the cells cannot metastasize, so we've been trying to figure out what the mechanisms are by which you have to get rid of this kinase in order to become highly motile and metastatic, " said Geahlen, who is affiliated with the Purdue Center for Cancer Research. "And that's one of the reasons we were looking at this particular type of cancer cell with this particular form of Syk in it."

One goal of the research is to correlate physical properties of cells with tumor suppression and the action of the kinase on the cell.

The advance in AFM technology was accomplished by two innovations:as the cantilever scans a cell it bends differently depending on the properties of the material being scanned. A laser measures this "deflection, " and models convert the data to reveal information about the material's composition. Previous applications of AFM microscopy to study live cells provided feedback on the amplitude and frequency of the vibrating cantilever, but not the deflection. Però, that approach takes too long to provide images of the quickly changing processes inside living cells. Providing feedback on the deflection instead has now been shown to increase the imaging speed 10-fold, making the method practical for studying cellular processes.

The other innovation is a technique that enables the cantilever to vibrate at two frequencies simultaneously.

"In one scan we can map the local physical properties of the cell, and we can do it fast enough that we compile maps of the changing cell, " Raman said.