Som ung fysiker i fd Sovjetunionen, Igor Sokolov studerade den största av de stora – hela universum. Nu, som professor i maskinteknik vid Tufts, han är fokuserad på det lilla, nano. Genom att zooma in, långt in — Sokolov och hans kollegor studerar allt från bakterier till skalbaggar ner till nanoskala. Nu har han fått ett nytt öga på ett av medicinens äldsta problem:cancer.

Sokolovs valinstrument är atomkraftmikroskopet (AFM), som använder sin lilla fingerliknande sond för att mäta små krafter i mycket liten skala, "ganska mycket mellan enskilda atomer, " säger han. Han stötte på den här tekniken för första gången som en doktorand som studerade universums ursprung för mer än 20 år sedan, ungefär när AFM uppfanns. Han använde den för att leta efter bevis på teoretiska elementarpartiklar. När Sokolov inte hittade någon, hans arbete hjälpte till att förverkliga dessa idéer.

Snart vände Sokolov instrumentet mot mer jordiska angelägenheter. 1994, som medlem av mikrobiologiavdelningen vid University of Toronto, han var bland de första som använde AFM för att studera bakterier. Zoomar in på en probiotisk bakterie som används för att göra schweizisk ost, Sokolov avslöjade en aldrig tidigare dokumenterad process genom vilken cellen reparerar sin yta efter att ha fått kemisk skada.

Experimentet visade också AFM:s förmåga att upptäcka mekaniska förändringar i levande celler med oöverträffad upplösning - något som skulle vara användbart i Sokolovs senare arbete. "Det var början på min kärlek till biomedicinska tillämpningar, säger Sokolov, som även har anställningar på institutionerna för biomedicinsk teknik och fysik.

Titta närmare på cancer

På senare tid, Sokolov och hans kollegor har använt atomkraftsmikroskopi på några av de mest mystiska cellerna av alla - maligna. De flesta befintliga diagnostiska verktyg använder cellernas kemiska fotavtryck för att identifiera cancer. I en serie experiment under de senaste fem åren, han letade efter fysiska skillnader mellan cancerceller och friska celler som kunde hjälpa läkare att diagnostisera cancer tidigare och mer exakt. Tidig upptäckt ökar avsevärt patienters chanser att överleva.

Han och hans medarbetare har haft några lovande resultat i preliminära studier med livmoderhalscancerceller och blåscancerceller - "cancer där du kan skörda celler utan biopsier - mycket oinvasiva metoder, " påpekar han.

År 2009, Sokolov och hans kollegor vid Clarkson University i New York studerade friska och sjuka celler som var praktiskt taget identiska, biokemiskt sett. Söker efter någon fysisk eller mekanisk skillnad som kan hjälpa till att skilja de två typerna av celler, forskarna fann att ytskiktet som omger cancerceller – det som Sokolov kallar det pericellulära borstlagret – skilde sig markant från det normala.

"Det var definitivt nytt, " han säger, noterar att liknande resultat nyligen publicerades av forskare som använder mer traditionella biokemiska metoder. "Författarna kallade dessa fynd resultatet av förändringen av paradigm att titta på cancer."

Det pericellulära borstlagret är ungefär som en cells päls, och den kan likna den hos en perserkatt eller den hos en skabbig mutt. Det är i tätheten och storleken på detta borstskikt som forskarna fann betydande skillnader mellan cancerceller och friska celler. I en tidning från 2009 publicerad i Naturens nanoteknik , teamet rapporterade att de observerade ett relativt enhetligt borstlager i friska celler, i cancerceller, de såg ett tvåskiktigt borstlager, med glesa långa hårstrån och täta korta borst.

När forskarna dammade cellkulturer med fluorescerande partiklar, de kunde se – även med blotta ögat – att partiklarna hade fastnat på cancercellerna, lämnar lysande tecken på sjukdomen.

"Du behöver ingen enhet för att se skillnaden. Det skapade en mycket stark synlig gradient för cancerceller, säger Sokolov.

Det faktum visade sig vara mer intressant än användbart som ett diagnostiskt verktyg, fastän. Det beror på att de misstänkta cellerna måste odlas i en skål - och forskare kan redan identifiera cancerceller genom att bara se dem växa.

Fraktaltidsbomben

Så Sokolovs team sökte efter andra parametrar som kan uppmärksamma patologer på förekomsten av cancer. Efter att ha testat många cellulära egenskaper, forskarna hittade en nyckelvariation, en egenskap som kallas "fraktal dimensionalitet."

Fraktaler definieras som "självlika" mönster som ser ungefär likadana ut i olika skalor. De förekommer ofta i naturen. Tänk på ett träd:de tunnaste lövbärande kvistarna upprepar mönstren för de bredare grenarna nedan. De ser ungefär likadana ut som du zoomar in eller ut; du tappar skalkänslan utan att något annat kan tipsa dig.

"Fraktaler uppstår vanligtvis i naturen från kaotiskt beteende. Cancer har också förknippats med kaos. Därför, många forskare förutspådde samband mellan cancer och fraktaler, " förklarar Sokolov.

Och när hans team använde AFM för att titta på ytan av celler, forskarna såg praktiskt taget 100 procent skillnad i fraktaldimensionaliteten hos normala celler och cancerceller, ett fynd de rapporterade i journalen Fysiska granskningsbrev under 2011.

På senare tid, Sokolov och hans kollegor kunde fastställa att denna fraktalgeometri inträffar under en specifik, mellanfasen av cancerprogression. Resultaten – som nyligen lämnats in för publicering – kan en dag hjälpa läkare att inte bara diagnostisera sjukdomen utan också övervaka dess utveckling.

"Hittills är det vi har sett ganska exakt, mycket mer exakt än allt som är tillgängligt för läkare för att diagnostisera livmoderhalscancer idag, säger Sokolov. Han noterar att det vanliga cellprovstestet är benäget att visa falska positiva resultat och missa tidiga cancerformer.

Även om testet har sänkt dödligheten sedan dess introduktion, det har aldrig varit föremål för en randomiserad kontrollerad studie – guldstandarden för vetenskaplig forskning – och det finns inga universellt accepterade definitioner av testresultaten, enligt National Cancer Institute.

"Det har fortfarande otillräcklig noggrannhet, leder till dyra och obehagliga onödiga biopsier, säger Sokolov.

Cancerforskningen är bara ett av flera projekt som Sokolov och hans två postdoktorer tillsammans med fyra doktorander – två maskiningenjörer och två biomedicinska ingenjörer – har igång i sina labb på 200 Boston Avenue.

Gruppen, med medarbetare från Tufts Medical Center, Dartmouth College och institutioner över hela Boston, letar också efter andra nanotekniska metoder för att diagnostisera cancer. De har redan utvecklat en högupplöst, höghastighetstest som så småningom kan leda till ett nytt sätt att studera förändringar i celler när de blir maligna. Tänker mer långsiktigt, Sokolov svävar idén om en nanopartikel som patrullerar kroppen som kan ändra färg när den upptäcker något dåligt.

"Som en tidsinställd bomb, några av dessa celler kommer att bli cancerösa, " säger han. "I tidiga skeden, cancer dödas ganska lätt, så tidig diagnos kan hjälpa till att utrota det."