Genom att ge levande celler en "nano-poke" och övervaka de resulterande förändringarna i den intracellulära miljön, har forskare fått sin första glimt av hur hela celler reagerar på yttre mekaniskt tryck.

Ett team ledd av forskare från National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, använde en teknik som kallas atomkraftsmikroskopi för att applicera kraft över ytan av olika celler. Metoden använder nanoskaliga sonder, med spetsar som bara är några miljarddels meter stora, för att mäta och kartlägga hur kraften fördelas över cellytan och genom hela cellen.

Forskarna använde maskininlärning för att analysera och modellera krafterna de mätte. De använde också fixerings- och färgningstekniker för att studera hur kraftförvrängningen påverkade cellens inre strukturer och mikrotubulierna och aktinfilamenten som utgör dess "skelett."

Studien publicerades i tidskriften Science and Technology of Advanced Materials .

"Celler är smarta material som kan anpassa sig till olika kemiska och mekaniska stimuli från sin omgivning", säger Jun Nakanishi, en av motsvarande författare till studien och ledare för Mechanobiology Group vid National Institute for Materials Science. Den förmågan att anpassa sig är beroende av snabba återkopplingsmekanismer för att hålla cellen intakt och frisk, och det finns växande bevis för att misslyckandet med denna cellulära respons ligger till grund för en rad åkommor, inklusive diabetes, Parkinsons sjukdom, hjärtinfarkt och cancer.

Hittills har studier av dessa cellulära svar begränsats av de tekniker som används - till exempel kräver vissa metoder att cellerna är förutrustade med sensorer, så de kan bara mäta en liten del av svaret. "Vi uppfann ett unikt sätt att "röra" en cell med en "hand" i nanoskala, så att kraftfördelningen över en hel cell kunde kartläggas med nanometerupplösning", säger Hongxin Wang, som är den första författaren till studien och JSPS postdoc i Mekanobiologigruppen.

Studien avslöjade att spännings- och kompressionskrafter fördelas över aktinfibrer och mikrotubuli i cellen för att behålla sin form, liknande hur stavarna och repen i ett campingtält fungerar. När forskarna inaktiverade den kraftbärande funktionen hos aktinfibrer fann de att själva kärnan också är inblandad i att motverka externa krafter, vilket belyser rollen av kärnans inre struktur i cellulär stressrespons.

Forskargruppen jämförde också svaren från friska och cancerceller. Cancerceller visade sig vara mer motståndskraftiga mot extern kompression än friska celler, och de var mindre benägna att aktivera celldöd som svar.

Fynden belyser inte bara stressresponsens komplexa intracellulära mekanik, utan upptäckten av olika reaktioner i cancerceller kan erbjuda ett nytt sätt att särskilja friska och cancerceller – ett diagnostiskt verktyg baserat på cellulär mekanik.

Sjukhus använder för närvarande storleken, formen och strukturen hos en cell för att diagnostisera cancer. Dessa funktioner ger dock inte alltid tillräckligt med information för att se skillnaden mellan friska och sjuka celler.

"Våra fynd ger ett annat sätt att kontrollera cellförhållanden genom att mäta kraftfördelning, vilket dramatiskt skulle kunna förbättra diagnostisk noggrannhet", säger Han Zhang, en annan motsvarande författare till studien och seniorforskare vid Electron Microscopy Group, NIMS.

Mer information: Hongxin Wang et al, Kartläggning av stress inuti levande celler med atomkraftsmikroskopi som svar på miljöstimuli, Science and Technology of Advanced Materials (2023). DOI:10.1080/14686996.2023.2265434

Journalinformation: Vetenskap och teknik för avancerade material

Tillhandahålls av National Institute for Materials Science