En ny teknik som använder små elastiska bollar fyllda med fluorescerande nanopartiklar syftar till att öka förståelsen för de mekaniska krafter som finns mellan celler, forskare rapporterar. Ett team som leds av University of Illinois har visat kvantifiering av 3D-krafter i celler som lever i petriskålar samt levande exemplar. Denna forskning kan låsa upp några av de mysterier som är relaterade till embryonal utveckling och cancerstamceller, d.v.s. tumör-repopulerande celler.

I årtionden, forskare har kämpat för att kvantifiera krafterna, kallas dragningar, den pushen, dra och pressa celler under hela deras livscykler. De tillgängliga verktygen för att mäta kraft var inte tillräckligt små för att passa in i intercellulära utrymmen eller tillräckligt känsliga för att upptäcka de små rörelserna inom cellkolonier.

Även om den är liten i mänsklig skala, storleken på dessa mekaniska krafter är långt ifrån triviala på cellnivå. Enligt den nya studien, tidigare forskning från Illinois -gruppen och andra indikerar att dragkraft spelar en grundläggande roll i cellfysiologi.

Teamet under ledning av mekanisk vetenskap och ingenjörsprofessor Ning Wang rapporterade sina fynd i tidningen Naturkommunikation .

"Om vi ​​placerar en enda cell i ett medium i en petriskål kommer den inte att överleva länge, även om vi tillhandahåller alla de näringsämnen som behövs, "Sade Wang." Cellerna misslyckas med att bilda någon form av vävnad eftersom det inte finns något stöd eller ställningar att bygga på. "

När celler växer och reproducerar, de utövar krafter på varandra medan de tävlar om rymden. Teamet fann att om de injicerar sina små elastiska sfärer i embryon från zebrafiskar i tidigt skede och kolonier av melanomceller från möss i petriskålar, även de upplever krafterna.

"Cellerna verkar inte ha något emot intrånget, "Sa Wang." Sfärerna är gjorda av en giftfri mikrogel och även om cellerna kommer att skjuta dem runt, de verkar inte störa utvecklingen. "

För att mäta mängden kraft som påläggs cellerna, laget placerade fluorescerande nanopartiklar inuti sfärerna. När cellerna klämmer in sfärerna, nanopartiklarna rör sig alla lika mycket per kraftområde. Forskarna kan sedan mäta de glödande partiklarnas rörelser med hjälp av fluorescerande ljusmikroskopi för att beräkna mängden kraft som utövas på sfärerna och cellerna. Med denna teknik, laget har markerat den första framgångsrika mätningen av alla tre typer av kraft - kompression, spänning och skjuvning - i alla tre dimensioner, Sa Wang.

Denna förmåga att kvantifiera kraft i celler kan vara mycket viktig för cancercellsforskning, Sa Wang. Teamet fann att när melanomtumörceller hos möss in vitro börjar reproducera sig från en enda cell till cirka 100 till 200 celler, tryckstress ökar inte.

"Vi trodde att cancerceller skulle generera mer tryck i detta tidiga tillväxtstadium medan tumörens massa ökar, som vi observerade i zebrafiskembryon, men det gör de inte, "Wang sa." Vi misstänker att cancercellerna börjar sprida sig eller metastasera direkt efter detta skede. "

Primära tumörer är vanligtvis inte dödliga, Sa Wang. Den verkliga mördaren verkar vara spridningen av tumörrepopulerande celler från primära tumörer till mjuka vävnader-med låga intercellulära drag-som benmärg, hjärna, lunga och lever. "Även om den underliggande mekanismen för metastasering är oklar, vi har antagit att tumörrepopulerande celler sprids mycket snabbt i dessa sekundära mjukvävnader. Att ha förmågan att mäta förändringar i dragningar på intercellulär nivå kan fungera som ett tidigt verktyg för att upptäcka cancer, "Sa Wang.

Denna mikrogel-sfärteknik kan också hjälpa till att reda ut mekanismerna bakom ett metastasstoppande syntetiskt läkemedel som nyligen beskrivits av Wang och hans kollegor. Dessutom, Wangs medförfattare fortsätter att tillämpa denna teknik för stam- och embryonell cellforskning. "När andra forskare ser detta kraftfulla nya verktyg som vi har utvecklat, de kommer att vara glada över att använda den i många olika cellfysiologier, utveckling och sjukdomstillämpningar, "Sa Wang.