Stivheten eller elasticiteten i en cell kan avslöja mycket om huruvida cellen är frisk eller sjuk. Cancerceller, till exempel, är kända för att vara mjukare än normalt, medan astmapåverkade celler kan vara ganska stela.

Att bestämma de mekaniska egenskaperna hos celler kan således hjälpa läkare att diagnostisera och spåra utvecklingen av vissa sjukdomar. Nuvarande metoder för att göra detta innefattar direkt sonderande celler med dyra instrument, såsom atomkraftsmikroskop och optiska pincetter, som gör direkt, invasiv kontakt med cellerna.

Nu har MIT -ingenjörer utarbetat ett sätt att bedöma cellens mekaniska egenskaper helt enkelt genom observation. Forskarna använder standardkonfokal mikroskopi till noll på konstanten, jiggande rörelser av en cellpartiklar - talande rörelser som kan användas för att dechiffrera cellens styvhet. Till skillnad från optiska pincetter, lagets teknik är icke -invasiv, löper liten risk att ändra eller skada en cell medan den undersöker dess innehåll.

"Det finns flera sjukdomar, som vissa typer av cancer och astma, där cellens styvhet är känd för att vara kopplad till sjukdomens fenotyp, "säger Ming Guo, Brit och Alex d'Arbeloff Karriärutvecklingsassistent vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "Denna teknik öppnar verkligen en dörr så att en läkare eller biolog, om de skulle vilja veta cellens materialegenskap på ett mycket snabbt sätt, icke -invasivt sätt, kan göra det nu. "

Guo och doktorand Satish Kumar Gupta har publicerat sina resultat i Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Rörande skedar

I sin doktorsavhandling 1905, Albert Einstein härledde en formel, känd som Stokes-Einstein-ekvationen, som gör det möjligt att beräkna ett materials mekaniska egenskaper genom att observera och mäta partiklarnas rörelse i det materialet. Det finns bara en fångst:Materialet måste vara "i jämvikt, "vilket innebär att partikelrörelser måste bero på effekten av materialets temperatur snarare än några yttre krafter som verkar på partiklarna.

"Du kan tänka på jämvikt som en varm kopp kaffe, ”Guo säger.” Kaffets temperatur ensam kan få sockret att spridas. Om du nu rör om kaffet med en sked, sockret löser sig snabbare, men systemet drivs inte enbart av temperaturen längre och är inte längre i jämvikt. Du förändrar miljön, lägga ner energi och få reaktionen att hända snabbare. "

Inom en cell, organeller som mitokondrier och lysosomer jiggar ständigt som svar på cellens temperatur. Dock, Guo säger, det finns också "många skedar" som rör upp den omgivande cytoplasman, i form av proteiner och molekyler som, så ofta, aktivt driva runt vibrerande organeller som biljardbollar.

Den ständiga suddigheten av aktivitet i en cell har gjort det svårt för forskare att urskilja, helt enkelt genom att titta, vilka rörelser beror på temperaturen och vilka beror på mer aktiva, "skedliknande" processer. Denna begränsning, Guo säger, har "i princip stängt dörren för att använda Einsteins ekvation och ren observation för att mäta en cells mekaniska egenskaper."

Ram för ram

Guo och Gupta antog att det kan finnas ett sätt att reta ut temperaturdrivna rörelser i en cell genom att titta på cellen inom en mycket snäv tidsram. De insåg att partiklar som bara drivs av temperatur uppvisar en konstant rörelse. Oavsett när du tittar på en temperaturdriven partikel, det kommer att röra på sig.

I kontrast, aktiva processer som kan slå en partikel runt cellens cytoplasma gör det bara ibland. Att se sådana aktiva rörelser, de antog, skulle behöva titta på en cell under en längre tidsram.

För att testa deras hypotes, forskarna utförde experiment på humana melanomceller, en rad cancerceller de valde för sin förmåga att växa enkelt och snabbt. De injicerade små polymerpartiklar i varje cell, spårade sedan deras rörelser under ett standardkonfokalt fluorescerande mikroskop. De varierade också cellens styvhet genom att införa salt i celllösningen - en process som drar ut vatten från celler, gör dem mer komprimerade och styva.

Forskarna spelade in videor av cellerna med olika bildhastigheter och observerade hur partiklarnas rörelser förändrades med cellstyvhet. När de tittade på cellerna med frekvenser högre än 10 bilder per sekund, de observerade mestadels partiklar som skakade på plats; dessa vibrationer tycktes bero på enbart temperaturen. Endast vid långsammare bildhastigheter såg de mer aktiva, slumpmässiga rörelser, med partiklar som skjuter över större avstånd inom cytoplasman.

För varje video, de spårade en partikels väg och tillämpade en algoritm som de hade utvecklat för att beräkna partikelns genomsnittliga reseavstånd. De kopplade sedan in detta rörelsevärde i ett generaliserat format på Stokes-Einstein-ekvationen.

Guo och Gupta jämförde sina styvhetsberäkningar med faktiska mätningar som de gjorde med optisk pincett. Deras beräkningar matchade endast mätningar när de använde partiklarnas rörelse som fångades med frekvenser av 10 bilder per sekund och högre. Guo säger att detta tyder på att partikelrörelser som uppstår vid höga frekvenser verkligen är temperaturdrivna.

Teamets resultat tyder på att om forskare observerar celler med tillräckligt snabba bildhastigheter, de kan isolera partikelrörelser som är rent drivna av temperatur, och bestäm deras genomsnittliga förskjutning - ett värde som direkt kan anslutas till Einsteins ekvation för att beräkna en cell styvhet.

"Om människor nu vill mäta cellernas mekaniska egenskaper, de kan bara titta på dem, "Säger Guo.

Teamet arbetar nu med läkare på Massachusetts General Hospital, som hoppas kunna använda det nya, icke -invasiv teknik för att studera celler som är involverade i cancer, astma, och andra tillstånd där cellegenskaper förändras när en sjukdom utvecklas.

"Människor har en uppfattning om att strukturen förändras, men läkare vill använda denna metod för att visa om det finns en förändring, och om vi kan använda detta för att diagnostisera dessa tillstånd, "Säger Guo.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.