En tidig tumör (i grönt är tumörceller) med nanopartiklar (i rött) i dem användes för att kvantifiera de mekaniska egenskaperna med hjälp av mikrorheologi. Den första bilden från en video från en levande mus och insatsen visar enskilda tumörceller och nanopartiklar med en högre upplösning. Upphovsman:Bryan Smith
En först i sitt slag nanopartikelbaserad in vivo bildteknik som en dag kan användas för att diagnostisera och till och med behandla cancer har utvecklats av forskare som samarbetar från Michigan State, Johns Hopkins och Stanford universitet.
Tekniken fångar mekaniska egenskaper hos levande ämnen som undersöker grundläggande samband mellan fysik och in vivo (i en levande organism) biologi. Resultaten publiceras i tidskriften Material idag .
Bryan Smith, docent i biomedicinsk teknik vid MSU, arbetade med kollegor för att utveckla de små partiklarna, som, en gång inne i levande celler, kan avslöja viktig information om cellstrukturen - inklusive hur tumörceller fysiskt förändras när de bildar en tumör.
"Vi konstruerade förmågan att mäta och kvantifiera de nanomekaniska egenskaperna hos enskilda levande celler i kroppen av ett levande djur för första gången, "Sa Smith.
I en studie tidigare i år, Smith och hans team designade nanopartiklar som hjälpte till att "äta" bort åderförkalkning, plackuppbyggnad i artärer som kan leda till hjärtinfarkt. Partiklarna kom selektivt in i immunsystemets celler som kallas makrofager, leverera ett läkemedel som instruerar cellerna att sluka de skadliga placken.
Nu, Smith och hans kollegor har skapat en teknik med olika nanopartiklar som kan bäddas in i olika celltyper, inklusive cancerbröstceller, hos levande djur. Att analysera hur partiklarna rör sig i cellen kan avslöja mycket om dess inre fysikaliska egenskaper.
"Det fanns tidigare ingen metod för att undersöka mekaniska egenskaper hos levande ämnen - till exempel hos däggdjur - med hög rumslig upplösning, "Smith sa." Sådana tekniker lovar att öppna helt nya utredningsvägar för både diagnos och behandling av sjukdomar. "
De mekaniska egenskaperna hos biologiska vävnader har varit kända för att spela en stor roll i många sjukdomstillstånd, inklusive hjärtsjukdom, inflammation och cancer, samt normal fysiologi som cellmigration och organismutveckling. I den aktuella studien, Smith och hans team använde nanopartiklar för att först jämföra de mekaniska egenskaperna mellan celler i kulturen-både standard 2-D och 3-D-och i levande djur.
Att spåra nanopartiklarnas rörelse visade att miljön i vilken cellerna observeras påverkar deras mekaniska egenskaper mycket - vilket kan innebära att vissa cellmodeller kanske inte är så giltiga representationer av levande djur.
"Detta berättar för cancerforskare som är intresserade av cancermekanik att 2-D-förhållanden kan replikera dåligt, och att vissa 3D-förhållanden kommer väsentligt närmare, för att efterlikna förhållanden i levande mus, "Sa Smith.
Nästa del av experimentet tittade på vad som faktiskt händer med cancercellernas inre struktur när de börjar bilda tumörer. Tidigare metoder kunde inte svara på frågan eftersom de var för invasiva för att testa i levande ämnen.
På nytt, observera nanopartiklarnas rörelse i cellerna, laget mätte hur "överensstämmande, "eller mjuk, cellerna var. Viktigt, de fann att normala cellers smidighet förblev stabil över tiden, men eftersom cancerceller bildade en tumör under en vecka, de stelnade.
"Vi fann att när en tumör börjar bildas i en levande mus, enskilda tumörceller stelnar mekaniskt. Detta är ett grundläggande fynd som i slutändan sannolikt kommer att få konsekvenser för cancerspridning (metastasering) och tumördödlighet, "Smith sa." Upptäckten möjliggjordes genom att integrera toppmodern teknik för bildbehandling och spårning av partiklar från våra och våra medarbetares laboratorier. "
Forskningen har ett antal lovande tillämpningar inom medicin. En av dessa är helt enkelt att utvärdera vilka cellodlingsmetoder som räcker som levande organismer för att ge meningsfull information. En annan är att mäta cellmekaniska egenskaper hos vanliga biologiska funktioner, inklusive organutveckling, i levande organismer.
Den kanske mest spännande applikationen kan vara inom diagnos och behandling av sjukdomar, Smith sa. Nanopartiklar kan användas för att övervaka cellernas hälsa och de typer av förändringar de genomgår i sjukdomsprocesser - och kan till och med ändra den kursen.
Smith och hans kollegor planerar att titta på bildandet och spridningen av cancermetastaser, som orsakar cirka 90% av cancerdöd.
"Jag hoppas att vi en dag kommer att kunna behandla metastasens fysik, "sa han." Men, vi måste först förstå mekaniken och hur förändring av dem påverkar cellbeteendet. Vi undersöker nu detta. "
