Celler är beroende av ständigt samspel och informationsutbyte med sin mikromiljö för att säkerställa deras överlevnad och utföra biologiska funktioner. Därför är exakt kvantifiering av små cellulära vidhäftningskrafter, som sträcker sig från piconewton till några nanonewton, avgörande för att förstå krångligheterna med kraftmodulering i celler.
Under de senaste decennierna har olika metoder framgångsrikt utvecklats för att mäta cellulära vidhäftningskrafter. För närvarande används flera ledande teknologier som dragkraftsmikroskopi (TFM), optisk/magnetisk pincett och molekylär spänningsbaserad fluorescensmikroskopi (MTFM) i stor utsträckning för att mäta cellulära krafter.
Dessa tekniker har dock anmärkningsvärda begränsningar när det gäller känslighet och datatolkning, vilket hindrar vår förmåga att heltäckande förstå mekanobiologi. Dessutom hindras MTFM-tekniken av den stokastiska naturen hos fluorofor-fotoblekning.
Därför är det viktigt att utveckla en ny teknik som exakt kan mäta cellvidhäftningskrafter på ett fluorescerande etikettfritt sätt. Detta är avgörande för att utveckla området mekanobiologi.
Ett projekt ledd av professor Zhiqin Chu från institutionen för elektrisk och elektronisk teknik vid University of Hong Kong (HKU) och professor Qiang Wei från Sichuan University tillämpade etikettfri kvantavkänningsteknik för att mäta cellulär kraft i nanoskala. Detta övervinner begränsningarna hos traditionella cellulära kraftapparater och erbjuder nya insikter om att studera cellmekanik, inklusive påverkan av cellulära vidhäftningskrafter på cancercellsspridning.
Forskargruppen har utvecklat en ny Quantum-Enhanced Diamond Molecular Tension Microscopy (QDMTM) som erbjuder en effektiv metod för att studera cellvidhäftningskrafter. Jämfört med cellkraftmätningsmetoder som använder fluorescerande prober, har QDMTM potential att övervinna utmaningar som fotoblekning, begränsad känslighet och tvetydighet i datatolkning. Dessutom kan QDMTM-sensorer rengöras och återanvändas, vilket förbättrar den absoluta noggrannheten för att jämföra cellvidhäftningskrafter över olika prover.
Den nya metoden förändrar i grunden sättet att studera viktiga frågor som cell–cell eller cell–material interaktioner, med betydande implikationer för biofysik och biomedicinsk ingenjörskonst. Resultaten har publicerats i Science Advances , i en artikel med titeln "Quantum-enhanced diamond molecular tension microscopy for quantifying cellular forces."
Forskargruppen utvecklade QDMTM genom att kombinera förlängningen av polymer (som fungerar som en kraftgivare) inducerad av cellulära krafter med den longitudinella relaxationstiden för NV. De unika kvantegenskaperna hos NV-centrumelektronspinn i diamant utgör grunden för den oöverträffade känsligheten och precisionen hos QDMTM.
Det unika med denna innovation ligger i användningen av en "kraftomvandlare" som är en kraftkänslig polymer som kan omvandla mekaniska signaler till magnetiska signaler. Genom att mäta förändringarna i NV-spinrelaxationstiden som orsakas av det magnetiska bruset kan de adhesiva krafterna som utövas av celler på "kraftomvandlaren" bestämmas. Befintliga mättekniker kan inte effektivt mäta de stokastiska magnetiska signalerna på nanoskala.
Den innovativa QDMTM-tekniken erbjuder ett effektivt sätt att studera cellvidhäftningskrafter. Genom sin studie kunde forskarna framgångsrikt differentiera celler i olika vidhäftningstillstånd och fann att storleken på cellulära krafter i olika cellregioner överensstämde med de tidigare fynden.
Detta tyder på att QDMTM-metoden är kapabel att noggrant mäta cellvidhäftningskrafter. Nästa fas av deras forskning fokuserar på att expandera kvantsensorn från bulkdiamant till diamantpartiklar i nanoskala, vilket kommer att möjliggöra mätning av cellkrafter i vilken riktning som helst.
Mer information: Feng Xu et al, Quantum-enhanced diamant molekylär spänningsmikroskopi för att kvantifiera cellulära krafter, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi5300
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Hong Kong
