Акустические волны могут отслеживать жесткость живых клеток
Инженеры MIT разработали новый неинвазивный метод измерения жесткости живых клеток с помощью акустических волн. Техника позволяет отслеживать отдельные клетки на протяжении нескольких поколений и исследовать, как жесткость меняется в процессе клеточного цикла.
Этот подход также можно использовать для изучения других биологических явлений, таких как запрограммированная гибель клеток или метастазирование.
«Неинвазивный мониторинг механических свойств отдельных клеток может быть полезен для изучения множества различных клеточных процессов», — говорит Скотт Маналис, старший автор исследования.
Метод также может быть полезен для анализа реакции опухолевых клеток пациентов на определенные препараты, потенциально помогая врачам выбирать лучшие лекарства для индивидуального лечения.
Уникальное измерение
Новая методика использует технологию, ранее разработанную лабораторией Маналиса для измерения массы клеток — подвесной микроканальный резонатор (SMR). Устройство измеряет массу клеток, когда они протекают через крошечный заполненный жидкостью кантилевер, вибрирующий в вакуумной полости.
В новом исследовании ученые обнаружили, что могут также измерять изменения жесткости клетки, в частности, структуры под названием кортекс, расположенной прямо под клеточной мембраной. Кортекс, определяющий форму клетки, состоит в основном из актиновых филаментов.
Исследователи поняли, что вибрация кантилевера также создает акустическую волну, которую можно использовать для измерения жесткости частицы или клетки, протекающей через устройство. Когда частица проходит через канал, она взаимодействует с акустическими волнами, изменяя общий энергетический баланс. Это меняет вибрацию кантилевера на величину, которая зависит от жесткости клетки, что позволяет ее рассчитать.
Точность метода подтвердили, измеряя гидрогелевые частицы известной жесткости. Используемые акустические волны смещают клетку всего на около 15 нанометров, что значительно меньше, чем в большинстве существующих методов.
Клеточное деление
Команда MIT показала, что может использовать эту технику для многократного измерения жесткости одной клетки на протяжении более 20 часов, пока она циркулирует через устройство SMR. За это время они смогли отследить жесткость в течение двух или более циклов клеточного деления.
Было обнаружено, что когда клетки вступают в митоз, их жесткость снижается, что, по мнению исследователей, связано с набуханием клеток перед делением. Визуализация подтвердила, что кортекс становится тоньше по мере набухания клетки.
Также выяснилось, что жесткость клетки динамически меняется непосредственно перед делением: актин накапливается в экваториальной области, делая клетку жестче, в то время как полярные области расслабляются из-за временного истощения актина.
«Мы можем использовать наш способ измерения жесткости, чтобы наблюдать за динамикой актина без меток и неинвазивно», — говорит Джун Хо Канг.
Перспективы
Исследователи планируют начать использовать эту технику для измерения жесткости еще более мелких частиц, таких как вирусы, и выяснить, может ли это измерение коррелировать с инфекционностью вируса.
«Измерение жесткости субмикронных частиц с достаточной производительностью в настоящее время невозможно существующими подходами», — отмечает Маналис.
Другое возможное применение — сочетание измерения жесткости с измерениями массы и скорости роста, которые разрабатывает лаборатория Маналиса, в качестве потенциального предиктора реакции отдельных онкологических пациентов на конкретные препараты.
«Когда речь идет о тестах для прецизионной медицины, измерение нескольких функциональных свойств одной и той же клетки может помочь сделать тесты более прогностическими», — заключает Маналис.