(Phys.org)—Med hjälp av kluster av små magnetiska partiklar omkring 1, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår, forskare från UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science har visat att de kan manipulera hur tusentals celler delar sig, morph och utveckla fingerliknande förlängningar.

Detta nya verktyg kan användas inom utvecklingsbiologi för att förstå hur vävnader utvecklas, eller i cancerforskning för att avslöja hur cancerceller rör sig och invaderar omgivande vävnader, sa forskarna.

UCLA-teamets resultat publicerades online den 14 oktober i tidskriften Naturmetoder .

En cell kan betraktas som en komplex biologisk maskin som tar emot ett sortiment av "inputs" och producerar specifika "outputs, "som tillväxt, rörelse, delning eller produktion av molekyler. Utöver typen av inmatning, celler är extremt känsliga för platsen för en ingång, delvis för att celler utför "spatial multiplexing, "återanvända samma grundläggande biokemiska signaler för olika funktioner på olika platser i cellen.

Att förstå denna lokalisering av signaler är särskilt utmanande eftersom forskare saknar verktyg med tillräcklig upplösning och kontroll för att fungera inuti en cells miniatyrmiljö. Och alla användbara verktyg måste kunna störa många celler med liknande egenskaper samtidigt för att uppnå en korrekt fördelning av svar, eftersom svaren från individuella celler kan variera.

För att lösa detta problem, ett tvärvetenskapligt UCLA-team som inkluderade docent i bioteknik Dino Di Carlo, postdoktorn Peter Tseng och professorn i elektroteknik Jack Judy utvecklade en plattform för att exakt manipulera magnetiska nanopartiklar inuti likformigt formade celler. Dessa nanopartiklar producerade en lokal mekanisk signal och gav distinkta svar från cellerna.

Genom att bestämma svaren från tusentals enstaka celler med samma form på lokala nanopartikelinducerade stimuli, forskarna kunde utföra ett automatiserat medelvärde av cellernas svar.

För att uppnå denna plattform, teamet var först tvungen att övervinna utmaningen att flytta sådana små partiklar (var och en mäter 100 nanometer) genom det trögflytande inre av en cell när cellerna slukade dem. Med hjälp av ferromagnetisk teknik, som gör det möjligt för magnetiska material att slå "på" och "av, Teamet utvecklade ett tillvägagångssätt för att bädda in ett rutnät av små ferromagnetiska block i en mikrotillverkad glasskiva och för att exakt placera enskilda celler i närheten av dessa block med ett mönster av proteiner som fäster vid celler.

När ett externt magnetfält appliceras på detta system, de ferromagnetiska blocken är "på" och kan därför dra nanopartiklarna i cellerna i specifika riktningar och likformigt rikta in dem. Forskarna kunde sedan forma och kontrollera krafterna i tusentals celler samtidigt.

Genom att använda denna plattform, teamet visade att cellerna svarade på denna lokala kraft på flera sätt, inklusive på sättet de delade. När celler går igenom replikeringsprocessen för att skapa två celler, delningsaxeln beror på cellens form och de förankringspunkter med vilka cellen håller fast vid ytan. Forskarna fann att kraften som induceras av nanopartiklarna kunde ändra celldelningens axel så att cellerna istället delade sig längs kraftens riktning.

Forskarna sa att denna känslighet för våld kan kasta ljus över den invecklade formningen och sträckningen av vävnader under embryonal utveckling. Förutom att rikta divisionens axel, de fann att nanopartikelinducerad lokal kraft också ledde till aktiveringen av ett biologiskt program där celler genererar filopodia, som är fingerlika, aktinrika förlängningar som celler ofta använder för att hitta platser att fästa vid och som hjälper till med rörelse.

Di Carlo, huvudutredaren för forskningen, föreställer sig att tekniken kan tillämpas bortom kontroll av mekaniska stimuli i celler.

"Nanopartiklar kan beläggas med en mängd olika molekyler som är viktiga för cellsignalering, " sade han. "Vi bör nu ha ett verktyg för att kvantitativt undersöka hur den exakta platsen för molekyler i en cell producerar ett specifikt beteende. Detta är en nyckel som saknas i vår verktygsuppsättning för att förstå cellprogram och för att konstruera celler för att utföra användbara funktioner."