I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di utilizzare la microscopia a forza atomica per misurare rapidamente le proprietà meccaniche delle cellule su scala nanometrica, un progresso che potrebbe aprire la strada a una migliore comprensione dei disordini immunitari e del cancro.

Nel suo ruolo di pediatra, Manish Butte, dottore, dottorato di ricerca, spesso spinge e punzecchia l'addome di un paziente, sensazione di anomalie:milza gonfia, un linfonodo indurito o un nodulo insolito nell'intestino o nel fegato. Ci sono ancora alcune cose che possono essere raccolte solo al tatto, e Butte crede che questa nozione si applichi anche alle singole cellule.

Eppure la capacità dei ricercatori di sondare e misurare le caratteristiche delle cellule viventi è stata quasi inesistente. Recentemente, un team di scienziati e ingegneri di Stanford ha deciso di correggere questo squilibrio con una nuova tecnica per mappare rapidamente le cellule. Sono riusciti a progettare un importante progresso in una tecnologia nota come microscopia a forza atomica, o AFM, che a sua volta è stato inventato a Stanford nel 1986.

Un documento che descrive il lavoro è stato pubblicato online l'11 novembre in ACS Nano . Butte, un assistente professore di immunologia pediatrica, è l'autore anziano. La paternità principale è condivisa da Andrew Wang, dottorato di ricerca, un ex borsista postdottorato nel laboratorio di Butte, e Karthik Vijayrhagavan, dottorato di ricerca, che era uno studente laureato e membro del laboratorio di microfotonica guidato da Olav Solgaard, dottorato di ricerca, un professore di ingegneria elettrica.

"Come si sente una cellula, le sue proprietà meccaniche che influenzano il modo in cui entra in contatto con altre cellule e tessuti, è molto più importante di come appare, ma la tecnologia non era lì per permetterci di esaminarla, " Butte ha detto. "C'è molto da imparare dallo studio della meccanica di una cellula e delle sue strutture appena sotto la superficie".

Il modo in cui Butte e i suoi colleghi usano l'AFM per misurare le proprietà meccaniche delle cellule è simile al modo in cui un muratore batte le nocche lungo un muro a secco, ascoltando il cambiamento di tono che le dirà che un perno di legno è dall'altra parte. Quando una sonda AFM tocca la superficie di una cellula, vibra, e il modello di queste vibrazioni, come le onde sonore che si riflettono dal perno, fornisce informazioni meccaniche sulle strutture della cellula che viene toccata.

Però, le sonde AFM esistenti sono relativamente grandi e, di conseguenza, insensibile alle alte frequenze, che comunicano molte delle informazioni chiave sulle viscere di una cellula. Il dispositivo del team di Stanford accoppia una sonda molto piccola con una tradizionale. Questo assemblaggio consente al dispositivo di rilevare oscillazioni più veloci rispetto ai dispositivi convenzionali e, di conseguenza, per effettuare misurazioni più dettagliate e molto più rapide.

"La differenza principale tra questo e i precedenti microscopi a forza atomica è che siamo in grado di misurare l'impatto della sonda sulla cellula molto velocemente e ottenere letture specifiche, mentre gli AFM tipici forniscono semplicemente una media. Questo ci permette di misurare accuratamente per la prima volta alcuni materiali molto morbidi, " disse Solgaard, che è anche co-autore del documento.

Le sonde attuali misurano la rigidità cellulare battendo contro la cellula circa una o due volte al secondo, il più veloce possibile con le grandi sonde per effettuare misurazioni. La piccola sonda, però, può effettuare facilmente misurazioni dettagliate dalle cinque alle dieci, 000 battiti al secondo a causa della sua sensibilità. Ha paragonato il salto di sensibilità alla differenza tra guidare una Cadillac Escalade lungo la strada e spingere un'auto giocattolo Hot Wheel lungo la stessa superficie:"La piccola Hot Wheel sentirà ogni piccolo urto molto più della grande Cadillac".

'Bella soluzione'

Gli AFM misurano il movimento della sonda facendo rimbalzare un laser sulla sua punta. Mentre la punta si muove su e giù, il laser viene riflesso. L'invenzione di Stanford accoppia la sonda piccola con quella grande mediante una struttura a forma di forcella chiamata reticolo interferometrico. Il reticolo produce uno schema di diffrazione basato sui movimenti della piccola sonda, e consente all'AFM di acquisire comodamente le sue misurazioni.

"Il nostro suggerimento produce effettivamente un secondo segnale, ed è questo che ci permette di ottenere dettagli molto maggiori. Dal punto di vista ingegneristico, è estremamente semplice, bella soluzione, "Solgard ha detto, riferendosi ai segnali diffratti dal reticolo.

Meglio di tutto, il dispositivo del team può essere collegato direttamente agli AFM esistenti, potenzialmente risparmiando milioni di dollari su nuove attrezzature che potrebbero essere altrimenti spese per la ricerca. Un nuovo AFM può funzionare fino a $ 500, 000, secondo Solgaard.

L'obiettivo è l'equivalente cellulare di Butte che preme l'addome di un bambino.

"Vogliamo studiare la rigidità cellulare per capire cosa c'è sotto la superficie e come sono strutturate le cellule, "Ha detto Wang.

A dimostrazione, il team ha misurato una sezione di un globulo rosso, effettuando circa 4 milioni di misurazioni totali in circa 10 minuti, il tutto senza danneggiare il delicato esterno cellulare.

"Le stesse misurazioni avrebbero richiesto più di un mese per essere completate utilizzando microscopi a forza atomica convenzionali, " ha affermato Vijayraghavan. La tecnologia è così veloce che il team è stato in grado di creare una serie di immagini time-lapse di una cellula vivente, ciascuno preso a soli sette minuti di distanza, un ritmo prima inimmaginabile.

Potenziali applicazioni

Le applicazioni pratiche del dispositivo vanno dalla comprensione scientifica di base della struttura cellulare all'immunologia e all'oncologia. La comprensione scientifica delle forze meccaniche in gioco nelle cellule è così carente che il campo - ora chiamato meccanobiologia - è davvero agli inizi, secondo Butte.

Le forze meccaniche nel corpo possono provenire dai tessuti, che variano in rigidità dalla materia cerebrale più morbida alle ossa più rigide, dalla gravità, e anche dai movimenti di spinta e trazione di altre cellule. Le cellule cancerose rendono il loro ambiente meccanicamente rigido secernendo sostanze chimiche che irrigidiscono la matrice extracellulare. Allo stesso modo, le cellule cancerose interpretano le forze meccaniche di un tessuto per prendere decisioni su crescita e metastasi. Sembra che si verifichino cicli di feedback sorprendenti come questo anche per le cellule staminali nel midollo osseo e durante lo sviluppo embrionale. Il modo in cui le cellule immunitarie interpretano le forze meccaniche è ancora totalmente sconosciuto.

"Il frutto più basso è il cancro. I tumori sono spesso più rigidi del normale, tessuti sani e possiamo usare quella conoscenza per diagnosticare la malattia. Ma prima, devi avere buoni dati, che il nostro dispositivo fornisce, Ha detto Wang. Ha già utilizzato una prima forma della nuova sonda Stanford in un lavoro pilota su campioni di cancro al seno prelevati da mastectomie.

Da parte sua, Butte prevede di utilizzare l'AFM veloce per studiare il sistema immunitario. Spera di esplorare perché altrimenti le cellule T che combattono la malattia spesso rimangono dormienti una volta all'interno di un tumore. Egli teorizza che la rigidità meccanica del tessuto tumorale possa impedire alle cellule T di entrare liberamente in contatto con le cellule cancerose e di attivare le loro funzioni antitumorali. In sostanza, il tumore potrebbe essere troppo affollato perché le cellule T funzionino. All'altra estremità della gamma di rigidità, ritiene che le proprietà meccaniche morbide dei tessuti cronicamente infiammati o infetti provochino un'iperattività del sistema immunitario, come l'autoimmunità.

È una teoria che nessuno ha ancora esplorato a causa di barriere tecniche, che il veloce AFM potrebbe superare. Il laboratorio di Butte ha iniziato un ampio sforzo per collegare le forze meccaniche con le risposte immunitarie a livello molecolare, scale cellulari e tissutali. "C'è così tanto che non sappiamo sulle proprietà meccaniche di vari tipi di cellule e tessuti malati. Quasi nulla, infatti, " Butte ha detto. "Il primo passo è quello di sondare. Ora, possiamo farlo."