Millimeterlånga maskar som smälter en nanopartikelspetsad måltid av sina favoritbakterier kan så småningom leda till ett nytt sätt att se cellulära krafter i spel i våra egna kroppar, inklusive processer som sårläkning och cancertillväxt.

Nyckeln är att just dessa nanopartiklar lyser när de träffas av en nära-infraröd laser och ändrar färg beroende på trycket runt dem. Så, de kan ge information i realtid om krafterna de utsätts för medan de fortfarande är inne i masken.

"Förändrade krafter på cellnivå ligger bakom många störningar, inklusive hjärtsjukdomar och cancer, sa Jennifer Dionne, docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Stanford och en av de främsta utredarna för denna forskning. "Detta skulle vara en avläsning i nanoskala som du kan använda in vitro eller in vivo för att upptäcka sjukdom i ett mycket tidigt skede."

Dionne har slagit sig ihop med Miriam B. Goodman, professor i molekylär och cellulär fysiologi, genom ett Stanford Bio-X fröbidrag, som särskilt tilldelas för att uppmuntra sådana tvärvetenskapliga partnerskap. Goodman studerar mekaniken för beröringskänsla i Caenorhabditis elegans, maskarna som äter på Dionnes nanopartiklar.

Titta på maskar smälta

Även om det slutliga målet med arbetet är att upptäcka kraft i mänskliga celler, teamet testar sitt tillvägagångssätt i dessa knappt synliga maskar eftersom, som hos människor, matsmältning i maskar innebär mekaniskt gnisslande och knuffande som kan ge insikt i hur dessa nanopartiklar registrerar cellulär kraft.

"Färgen som varje nanopartikel avger ändras från rött till orange när det finns en mekanisk kraft i storleksordningen nanonewton till mikronewton - ett kraftområde som anses vara mycket relevant för intercellulära krafter, sa Alice Lay, en doktorand i Dionne-labbet som leder experimenten.

Efter att ha studerat friska maskar, Teamet kommer att introducera mutationer i mixen för att urskilja genuttryckets roll på cellulära krafter. Dessa mutationer gör det möjligt för teamet att bättre förstå matsmältningsbesvär och relaterade störningar, inklusive sura uppstötningar och bråckbildning.

Från maskmat till människors hälsa

Vi kanske inte vill tro att vi har mycket gemensamt med bakterieätande maskar men den här forskningen kan påverka hur vi studerar och förstår mänsklig beröring, matsmältning, cancer, sårläkning, celldelning och differentiering, och, troligt, mycket mer.

"Mekaniska krafter spelar en betydande roll för att bestämma ödet och funktionen för en cell eller ett organ, " Sa Dionne. "Till exempel, varje gång vårt hjärta slår, våra öron hör eller ett sår läker, cellulära krafter är inblandade."

Den lilla storleken på nanopartiklarna betyder att de har potential att producera kraftkartor med extremt hög upplösning, tillhandahåller ett fönster in i tryck och drag av och av celler på en djupt subcellulär nivå. Någon dag, dessa biokompatibla nanopartiklar kan intas eller injiceras i en person i ett specifikt område, till exempel vid ett sårställe eller misstänkt tumör. Genom att läsa färgerna som emitteras av nanopartiklarna, laboratorier kunde skapa en kraftkarta som indikerar den finskaliga aktiviteten hos cellerna runt det området.

Lägger till Goodmans tidigare forskning om hur neuroner bearbetar beröringskänslan, denna teknik kan också förbättra vår förståelse för de krafter som är involverade i att känna av världen omkring oss. "Mer detaljer om hur vi upplever beröring kan informera om översättningen av beröring till icke-biologiska system, som proteser, sa Goodman.

Än så länge, Dionnes labb har tillverkat nanopartiklarna, Goodmans maskar har framgångsrikt ätit det högteknologiska mellanmålet och forskarna har tagit statiska bilder av nanopartiklarna inuti maskarna. Nästa steg är att fånga den dynamiska emissionen av nanopartiklar över tid, som kommer att avslöja de förändringar i kraft som partiklarna genomgår under matsmältningen.