Tufts -forskare har banat väg för ett nytt sätt att studera cellers egenskaper med oöverträffade upplösningar och hastighet, så att de kan undersöka mer exakt, till exempel, skillnaderna mellan cancerceller och friska. Tekniken kan leda till snabbare och mer exakta diagnostiska tester för en rad sjukdomar eller till och med ge insikt om hur vi blir gamla.

Med hjälp av en kombination av befintliga spektroskopiteknologier, Igor Sokolov, professor i mekanisk och biomedicinsk teknik, och postdoktor Maxim Dokukin genererade mekaniska data från vävnader och andra typer av "mjuka" biologiska material vid upplösningar så mycket som 100 gånger bättre än nuvarande metoder. Forskningen publicerades i somras i Vetenskapliga rapporter , en journal med öppen åtkomst som läggs ut av gruppen som producerar journalen Natur . Arbetet finansierades mestadels av National Science Foundation.

Sokolov liknar utvecklingen av den nya tekniken med skillnaden mellan det optiska mikroskopet, uppfanns på 1500 -talet, och svepelektronmikroskopet, utvecklades 1931. Med ett optiskt omfång, du kan se föremål ungefär lika stora som ett stort virus, cirka 200 till 300 nanometer. Skannande elektronmikroskop, däremot, kan bildobjekt så små som 1 till 20 nanometer, ungefär storleken på de stora molekylerna i DNA. Men de är inte användbara med organiska material, Sokolov säger.

Enheten Sokolovs team har uppfunnit-som de kallar FT-nanoDMA, eftersom den använder Fourier-transformspektroskopi (FT) och dynamisk mekanisk spektroskopi (DMA) ner till nanoskala (nano)-kan exakt samla information om mjuka material ner till 10-50 nanometer.

Och det kan göra det snabbt, tar mindre än en sekund per ytpunkt för att vidarebefordra egenskaper för ett 100-till-100-pixelområde på bara några timmar. Det är jämfört med de 23 dagar som konkurrerande befintlig teknik kräver. Den nya tekniken kan också göra något som andra inte kan studera dynamiska mekaniska egenskaper hos enskilda celler. Det är i denna skala "där nya saker vanligtvis händer, säger Sokolov.

Det nya tillvägagångssättet ger forskare information om mekaniken i mjuka material, såsom proteinerna som utgör vår hud och hår och långa kedjor av molekyler som kallas polymerer, som antingen förekommer naturligt eller är konstruerade. Den nya metoden mäter en egenskap som kallas viskoelasticitet - ett materials förmåga att töjas under tryck och studsa tillbaka med en bestämd hastighet - tänk Silly Putty kontra ett gummiband.

De resulterande uppgifterna kan användas för att bedöma egenskaperna hos maligna celler och friska celler, med potential att utvecklas snabbt, noggranna diagnostiska tester, Sokolov säger. Bättre insikt i de mekaniska egenskaperna hos andra typer av celler kan också belysa kärl- och njursjukdomar, Alzheimers, grå starr och till och med åldringsprocessen, för att nämna några, han säger.

En helig nanomekanik

Tänk på hur hudceller förändras när vi åldras. "De blir dramatiskt styvare, "Sokolov säger." Kan vi se detaljerade skillnader i cellernas biomekaniska egenskaper? Kan vi fixa stelheten i gamla celler för att återställa den till den unga nivån? "

Forskare mäter vanligtvis viskoelasticitet genom att testa material vid olika frekvenser, eller vibrationshastigheter. Forskare söker igenom dessa frekvenser en i taget, som att klicka igenom TV -kanaler med en fjärrkontroll, och undersöka mekaniska egenskaper vid varje "station". Genombrottet för Sokolovs team kom när de kom på ett sätt att använda hela frekvensspektrumet. De bestämde, "Varför inte prova dem alla på en gång?"

Det hade inte gjorts tidigare, Sokolov säger, för "du skulle få cross-talk, "eller störningar mellan frekvenserna." Det tog sju år att förstå hur vi skulle kunna göra det, men vi har nu en enhet som gör det exakt. "

Även om den nya metoden är banbrytande-Sokolov kallar den "en helig nanomekanik"-saknar den en funktion som normalt är förknippad med högteknologiska innovationer:en rejäl prislapp. Det beror på att gruppen teknik som deras enhet använder, inklusive atomkraftsmikroskopi (AFM), har funnits i 20 år eller mer. Att använda dem tillsammans kräver lite mer än ytterligare datorprogram för att synkronisera de olika teknikerna. "Det kan enkelt implementeras i befintliga AFM för en måttlig kostnad och bör ge omedelbar inverkan, "Sokolov säger.

Atomkraftsmikroskopi var en, om inte, stora verktyg som ansvarar för framväxten av nanoteknik, noterar Sokolov, som har använt AFM i mer än två decennier. Genom att utveckla denna nya bildteknik, han och hans kollegor har utökat AFM:s räckvidd, allowing it to quantify new characteristics of materials at a previously inaccessible scale.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."