Nowe narzędzie do wykrywania kwantowego, kwantowo wzmocniona diamentowa mikroskopia naprężenia molekularnego (QDMTM), opracowane przez zespoły z Uniwersytetu w Hongkongu i Uniwersytetu w Syczuanie, precyzyjnie mierzy siły adhezji komórkowej, pogłębiając naszą wiedzę na temat mechaniki komórki i pomagając w badaniach nad rakiem.
Naukowcy z HKU Engineering opracowują przełomową technikę obrazowania sił komórkowych przy użyciu diamentowego mikroskopu kwantowego.
W projekcie kierowanym przez profesora Zhiqina Chu z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej Uniwersytetu w Hongkongu (HKU) oraz profesora Qiang Wei z Uniwersytetu w Syczuanie wykorzystano technologię wykrywania kwantowego bez etykiet do pomiaru siły komórkowej w nanoskala. Postęp ten przekracza ograniczenia tradycyjnych narzędzi do pomiaru siły komórkowej i zapewnia nowy wgląd w mechanikę komórkową, szczególnie w odniesieniu do wpływu komórkowych sił adhezji na rozprzestrzenianie się komórek nowotworowych.
Zespół badawczy opracował nową mikroskopię naprężenia molekularnego diamentu ze wzmocnieniem kwantowym (QDMTM), która oferuje skuteczne podejście do badania sił adhezji komórek. W porównaniu z metodami pomiaru siły komórkowej wykorzystującymi sondy fluorescencyjne, QDMTM może przezwyciężyć wyzwania, takie jak fotowybielanie, ograniczona czułość i niejednoznaczność w interpretacji danych. Co więcej, czujniki QDMTM można czyścić i ponownie wykorzystywać, co zwiększa absolutność dokładność porównania sił adhezji komórek w różnych próbkach.
Schemat ideowy ilustrujący konstrukcję QDMTM. Lewy panel przedstawia zasadę działania szerokokątnego kwantowego mikroskopu diamentowego. Wkładka pokazuje, w jaki sposób można określić ilościowo wywierane siły komórkowe, mierząc centra NV. Prawy panel pokazuje dokładny mechanizm wyczuwający siłę. Antena MW: antena mikrofalowa; OBJ: obiektywny; DM: lustro dichroiczne. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu
Nowa metoda zasadniczo zmienia sposób badania ważnych zagadnień, takich jak interakcje komórka-komórka lub komórka-materiał, co ma istotne implikacje dla biofizyki i inżynierii biomedycznej. Wyniki opublikowano w Postęp nauki.
Tło badań
Komórki polegają na ciągłej interakcji i wymianie informacji ze swoim mikrośrodowiskiem, aby zapewnić sobie przetrwanie i pełnienie funkcji biologicznych. Dlatego dokładne określenie ilościowe maleńkich sił adhezji komórkowej, rozciągających się od pikoniutonów do kilku nanoniutonów, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zawiłości modulacji siły w komórkach.
Profesor Zhiqin Chu (po prawej) i Feng Xu (po lewej), pierwszy autor artykułu badawczego. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu
W ciągu ostatnich kilku dekad z powodzeniem opracowano różne metody pomiaru komórkowych sił adhezji. Obecnie do pomiaru sił komórkowych powszechnie stosuje się kilka wiodących technologii, takich jak mikroskopia sił trakcyjnych (TFM), pęseta optyczno-magnetyczna i mikroskopia fluorescencyjna oparta na napięciu molekularnym (MTFM).
Techniki te mają jednak zauważalne ograniczenia w zakresie czułości i interpretacji danych, co utrudnia nam kompleksowe zrozumienie mechanobiologii. Dodatkowo, technikę MTFM utrudnia stochastyczny charakter fotowybielania fluoroforowego. Dlatego istotne jest opracowanie nowej techniki, która umożliwi dokładny pomiar sił adhezji komórek w sposób wolny od fluorescencyjnych etykiet. Ma to kluczowe znaczenie dla postępu w dziedzinie mechanobiologii.
Wykazano wykrywanie sił trakcyjnych przylegających komórek. Aby zademonstrować pomiary, wybrano trzy typowe komórki, mianowicie (A) dobrze rozsianą komórkę, (B) mniej rozsianą komórkę i (C) komórka mająca kontakt z komórką: pierwsze dwie kolumny pokazują obrazy w świetle przechodzącym i odpowiadające im oznaczone obrazy ; trzecia kolumna pokazuje mapowanie T1, a ostatnia kolumna pokazuje profil linii, jak zaznaczono w drugiej i trzeciej kolumnie, wartości T1 w całym ciele komórki. (D) Zmiany wartości T1 w wybranych obszarach komórek. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu
Metody i wnioski badawcze
Zespół badawczy opracował QDMTM poprzez połączenie wydłużania polimeru (działającego jako przetwornik siły) indukowanego przez siły komórkowe z czasem relaksacji podłużnej NV. Unikalne właściwości kwantowe spinów centralnych elektronów NV w diamentach stanowią podstawową podstawę niespotykanej dotąd czułości i precyzji QDMTM.
Wspomagana symulacją ekstrakcja sił komórkowych z mapowania T1. (A) Schematy przedstawiają uproszczony model: warstwa centrów NV jest losowo rozmieszczona pod górną powierzchnią membrany diamentowej o określonej głębokości i stałej gęstości; warstwa kompleksów Gd3+ przyłączonych do PEG działa jak losowo zmieniająca się kąpiel wirowa; wspomniane dwie warstwy oddzielone są sprężystymi cząsteczkami PEG, a ich wydłużenie wywołane siłą opisano modelem łańcucha robaka. Czerwony prostokątny obszar reprezentuje przyjęty minimalny obszar wykrywania (600 nm × 600 nm). (B) Symulowana zależność pomiędzy siłami komórkowymi a wartością T1. Wyodrębniona (C) mapa rozszerzenia PEG i (D) mapa komórkowej siły trakcyjnej ciała komórki w jednej wybranej komórce (ta sama na ryc. 6B). Wkładka stanowi powiększony widok wybranego prostokątnego obszaru. (E) Profil siły wzdłuż niebieskiej linii narysowanej na ryc. 7D. Kierunek siły komórkowej wywieranej na polimer PEG jest normalny do powierzchni diamentu. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu
Wyjątkowość tej innowacji polega na zastosowaniu „przetwornika siły”, który jest polimerem reagującym na siłę i zdolnym do przekształcania sygnałów mechanicznych na sygnały magnetyczne. Mierząc zmiany czasu relaksacji spinu NV spowodowane szumem magnetycznym, można określić siły adhezji wywierane przez komórki na „przetwornik siły”. Istniejące techniki pomiarowe nie są w stanie skutecznie mierzyć stochastycznych sygnałów magnetycznych w nanoskali.
Innowacyjna technika QDMTM oferuje skuteczne podejście do badania sił adhezji komórek. W wyniku swoich badań naukowcom udało się skutecznie różnicować komórki w różnych stanach adhezji i odkryli, że wielkość sił komórkowych w różnych obszarach komórek jest zgodna z wcześniejszymi ustaleniami. Sugeruje to, że metoda QDMTM umożliwia dokładny pomiar sił adhezji komórek. Kolejna faza ich badań skupia się na rozbudowie czujnika kwantowego z diamentu masowego na cząstki diamentu w skali nano, co umożliwi pomiar sił komórkowych w dowolnym kierunku.
Odniesienie: „Kwantowa mikroskopia napięcia molekularnego diamentu do ilościowego określania sił komórkowych” autorstwa Feng Xu, Shuxiang Zhang, Linjie Ma, Yong Hou, Jie Li, Andrej Denisenko, Zifu Li, Joachim Spatz, Jörg Wrachtrup, Hai Lei, Yi Cao, Qiang Wei i Zhiqin Chu, 24 stycznia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adi5300
