Una tecnica di imaging in vivo basata su nanoparticelle unica nel suo genere che potrebbe un giorno essere utilizzata per diagnosticare e persino curare il cancro è stata sviluppata da ricercatori che collaborano con lo Stato del Michigan, Johns Hopkins e le università di Stanford.

La tecnica cattura le proprietà meccaniche in soggetti viventi che sondano le relazioni fondamentali tra la fisica e la biologia in vivo (in un organismo vivente). I risultati sono pubblicati sulla rivista Materiali oggi .

Bryan Smith, professore associato di ingegneria biomedica presso MSU, ha lavorato con i colleghi per sviluppare le minuscole particelle, quale, una volta dentro le cellule viventi, può rivelare importanti informazioni sulla struttura cellulare, incluso il modo in cui le cellule tumorali cambiano fisicamente mentre formano un tumore.

"Abbiamo progettato per la prima volta la capacità di misurare e quantificare le proprietà nanomeccaniche delle singole cellule viventi all'interno del corpo di un animale vivente, " ha detto Smith.

In uno studio all'inizio di quest'anno, Smith e il suo team hanno progettato nanoparticelle che hanno aiutato a "mangiare" via l'aterosclerosi, l'accumulo di placca nelle arterie che può portare ad infarto. Le particelle sono entrate selettivamente nelle cellule del sistema immunitario note come macrofagi, consegnando un farmaco che istruisce le cellule a divorare le placche dannose.

Ora, Smith e i suoi colleghi hanno creato una tecnica che utilizza diverse nanoparticelle che possono essere incorporate in vari tipi di cellule, comprese le cellule cancerose del seno, negli animali vivi. Analizzare il modo in cui le particelle si muovono all'interno della cellula può rivelare molto sulle sue proprietà fisiche interne.

"In precedenza non esisteva alcun metodo per esaminare le proprietà meccaniche in soggetti viventi, ad esempio, nei mammiferi, con un'elevata risoluzione spaziale, Smith ha detto. "Tali tecniche promettono di aprire vie di indagine completamente nuove sia per la diagnosi che per il trattamento della malattia".

È noto che le proprietà meccaniche dei tessuti biologici svolgono un ruolo importante in molti stati patologici, comprese le malattie cardiache, infiammazione e cancro, così come la normale fisiologia come la migrazione cellulare e lo sviluppo dell'organismo. Nello studio attuale, Smith e il suo team hanno utilizzato le nanoparticelle per confrontare prima le proprietà meccaniche tra le cellule in coltura, sia standard 2-D che 3-D, e negli animali vivi.

Il monitoraggio del movimento delle nanoparticelle ha rivelato che l'ambiente in cui vengono osservate le cellule influisce notevolmente sulle loro proprietà meccaniche, il che potrebbe significare che alcuni modelli cellulari potrebbero non essere rappresentazioni così valide di animali vivi.

"Questo dice agli scienziati del cancro interessati alla meccanica del cancro che le condizioni 2-D possono replicarsi male, e che certe condizioni 3D si avvicinano sostanzialmente, per imitare le condizioni all'interno del topo vivo, " ha detto Smith.

La parte successiva dell'esperimento ha esaminato cosa accade effettivamente alla struttura interna delle cellule tumorali quando iniziano a formare tumori. I metodi precedenti non potevano rispondere alla domanda perché erano troppo invasivi per essere testati su soggetti viventi.

Ancora, osservando il movimento delle nanoparticelle all'interno delle cellule, il team ha misurato quanto "conforme, "o morbido, le cellule erano. È importante sottolineare che hanno scoperto che la flessibilità delle cellule normali è rimasta stabile nel tempo, ma poiché le cellule tumorali hanno formato un tumore nel corso di una settimana, si irrigidirono.

"Abbiamo scoperto che quando un tumore inizia a formarsi in un topo vivente, le singole cellule tumorali si irrigidiscono meccanicamente. Questa è una scoperta fondamentale che alla fine potrebbe avere implicazioni per la diffusione del cancro (metastasi) e la letalità del tumore, " Ha detto Smith. "La scoperta è stata resa possibile dall'integrazione di tecnologie di imaging e tracciamento delle particelle all'avanguardia dei nostri laboratori e di quelli dei nostri collaboratori".

La ricerca ha una serie di applicazioni promettenti in medicina. Uno di questi è semplicemente valutare quali metodi di coltura cellulare sono sufficienti come organismi viventi per fornire informazioni significative. Un altro è misurare le proprietà meccaniche delle cellule di funzioni biologiche comuni, compreso lo sviluppo degli organi, negli organismi viventi.

Forse l'applicazione più interessante potrebbe essere nella diagnosi e nel trattamento delle malattie, ha detto Smith. Le nanoparticelle potrebbero essere utilizzate per monitorare la salute delle cellule e i tipi di cambiamenti che subiscono nei processi patologici, e potrebbero persino alterare quel corso.

Smith e i suoi colleghi hanno in programma di esaminare la formazione e la diffusione delle metastasi del cancro, che causano circa il 90% dei decessi per cancro.

"Spero che un giorno saremo in grado di curare la fisica delle metastasi, " ha detto. "Ma, dobbiamo prima capire i meccanismi e come cambiarli influisce sul comportamento delle cellule. Ora stiamo esaminando questo".