Сканирующий нанозондовый микроскоп раскрывает скрытую гибкость раковых клеток

Исследователи из Института нанобионаук (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы сообщают в ACS Applied Nano Materials о новом методе точного измерения ядерной эластичности — жесткости или мягкости клеточного ядра — в живых клетках.

Применив метод наноэндоскопической атомно-силовой микроскопии (NE-AFM), при котором наноигольчатый зонд вводится непосредственно в клетки, команда показала, как ядра раковых клеток становятся жестче или мягче в зависимости от структуры хроматина и условий окружающей среды.

Результаты дают фундаментальное представление о том, как физические свойства ядер раковых клеток меняются в ходе прогрессирования болезни, подчеркивая их потенциал в качестве биомаркеров для диагностики и оценки лечения.

Изменения в механике ядра — отличительная черта рака и могут указывать на злокачественную трансформацию. Традиционно ядерную эластичность изучали с помощью зондов атомно-силового микроскопа (AFM), давящих на клеточную мембрану, или путем аспирации изолированных ядер. Оба метода имеют ограничения: на них влияют окружающие клеточные структуры, или они не позволяют зафиксировать состояние интактных ядер.

Новый метод NE-AFM, разработанный Такехико Итикавой и коллегами из Университета Канадзавы, преодолевает эти барьеры, позволяя вводить наноигольчатый зонд непосредственно в живые клетки тысячи раз, не нанося серьезных повреждений, и создавать наномасштабные карты ядерной эластичности.

Исследователи обнаружили, что клетки рака легких человека (PC9) демонстрировали значительное увеличение ядерной эластичности в условиях отсутствия сыворотки. Это упрочнение коррелировало с увеличением триметилирования гистона H4 по лизину 20 (H4K20me3) — маркера компактизации хроматина.

Обработка трансформирующим фактором роста бета (TGF-β), который индуцирует эпителиально-мезенхимальный переход (EMT), вызывала размягчение ядра и снижение уровня H4K20me3.

Исследование показывает, что изменения ядерной эластичности в первую очередь обусловлены состоянием компактизации хроматина, а не изменениями в ламинах ядра. Клетки, производные от PC9 с метастазами в мозг (PC9-BrM), демонстрировали сходные тенденции в ядерной эластичности, что позволяет предположить, что регуляция хроматином ядерной механики играет роль в их инвазивном поведении.

Команда использовала Nanoendoscopy-AFM — метод, сочетающий атомно-силовую микроскопию с наноигольчатыми зондами, изготовленными методом электронно-лучевого осаждения. Зонды диаметром всего ~160 нм многократно вводили в живые клетки для записи тысяч кривых сила–расстояние на поверхности ядер.

На основе этих измерений исследователи создали трехмерные карты эластичности интактных ядер в клетках рака легких человека. В отличие от традиционных методов AFM, NE-AFM позволяет различать эластичность клеточной мембраны и ядра и избегать влияния цитоскелетных структур.

Также были проведены иммуноблоттинговые эксперименты для корреляции изменений эластичности с модификациями гистонов и уровнями ядерных белков.

«Наша работа показывает, что ядерная эластичность — это не просто физическое свойство, а отражение базового состояния хроматина», — говорит Итикава.

«С помощью Nanoendoscopy-AFM у нас теперь есть мощный инструмент для прямого исследования ядра живых раковых клеток. Это открывает путь к новым диагностическим подходам и лучшему пониманию того, как механические силы формируют прогрессирование рака».

Исследование демонстрирует, что ядерная эластичность может выступать в качестве измеримого биомаркера прогрессирования рака. Метод NE-AFM предоставляет беспрецедентную возможность исследования механики интактных ядер и может стать инструментом для ранней диагностики и прогноза рака, изучения регуляции хроматина во время метастазирования и исследования механики других органелл, таких как митохондрии.