Ljudvågor används i stor utsträckning inom medicinsk bildbehandling, som när läkare tar ett ultraljud av ett foster under utveckling. Nu har forskare utvecklat ett sätt att använda ljud för att undersöka vävnad i mycket mindre skala. Forskare från universitetet i Bordeaux i Frankrike använde högfrekventa ljudvågor för att testa styvheten och viskositeten hos kärnorna i enskilda mänskliga celler. Forskarna förutspår att sonden så småningom kan hjälpa till att svara på frågor som hur celler fäster vid medicinska implantat och varför friska celler blir cancerösa.
"Vi har utvecklat en ny icke-kontakt, icke-invasivt verktyg för att mäta de mekaniska egenskaperna hos celler på subcellskala, säger Bertrand Audoin, en professor i mekaniklaboratoriet vid universitetet i Bordeaux. "Detta kan vara användbart för att följa cellaktivitet eller identifiera cellsjukdom." Arbetet kommer att presenteras vid det 57:e årsmötet i Biophysical Society (BPS), hålls 2-6 februari, 2013, i Philadelphia, Pa.
Tekniken som forskargruppen använde, kallas picosekund ultraljud, användes ursprungligen i elektronikindustrin i mitten av 1980-talet som ett sätt att mäta tjockleken på halvledarchipskikt. Audoin och hans kollegor, i samarbete med en forskargrupp inom biomaterial ledd av Marie-Christine Durrieu från Institute of Chemistry &Biology of Membranes &Nano-objects vid Bordeaux University, anpassad picosekund ultraljud för att studera levande celler. De odlade celler på en metallplatta och flashade sedan cell-metallgränssnittet med en ultrakort laserpuls för att generera högfrekventa ljudvågor. En annan laser mätte hur ljudpulsen fortplantade sig genom cellerna, ger forskarna ledtrådar om de mekaniska egenskaperna hos de enskilda cellkomponenterna.
"Ju högre ljudfrekvens du skapar, ju mindre våglängd, vilket betyder att ju mindre föremål du kan sondera", säger Audoin. "Vi använder gigahertzvågor, så vi kan undersöka föremål i storleksordningen hundra nanometer." Som jämförelse, en cells kärna är cirka 10, 000 nanometer bred.
Teamet stod inför utmaningar när det gällde att tillämpa picosekund ultraljud för att studera biologiska system. En utmaning var cellens vätskeliknande materialegenskaper. "Ljusspridningsprocessen vi använder för att detektera cellens mekaniska egenskaper är mycket svagare än för fasta ämnen, " säger Audoin. "Vi var tvungna att förbättra signal/brusförhållandet utan att använda en kraftfull laser som skulle skada cellen." Teamet stod också inför utmaningen med naturlig cellvariation. "Om du undersöker kisel, du gör det en gång och det är klart, " säger Audoin. "Om du undersöker kärnan måste du göra det hundratals gånger och titta på statistiken."
Teamet utvecklade metoder för att övervinna dessa utmaningar genom att testa sina tekniker på polymerkapslar och växtceller innan de går vidare till mänskliga celler. Under de kommande åren tänker teamet studera cancerceller med ljud. "En cancervävnad är styvare än en frisk vävnad, " noterar Audoin. "Om du kan mäta styvheten hos cellerna medan du tillhandahåller olika droger, du kan testa om du kan stoppa cancern på cellskala."
