Клетки трясутся. Примерно так же, как сейсмологи используют вибрации планеты Земля для характеристики ее глубинной структуры, ученые открыли способ использования вибраций внутри клеток для определения их механических свойств. Так родилась область клеточной сейсмологии.
«Мы разработали уникальную технику для картографирования в масштабе миллисекунд эластичности компонентов внутри клетки», - сказал Гай Клотье, исследователь из Исследовательского центра больниц Университета Монреаля (CRCHUM) и профессор Университета Монреаля. Университет Монреаля.«Это открывает совершенно новую область исследований в механобиологии для изучения динамики перемещений внутри клеток и понимания влияния этих сил на заболевания и методы лечения».
Технология, называемая «эластография клеточных толчков», представлена в статье, опубликованной сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Эластичность - фундаментальное свойство клеток, связанное с анатомией, функцией и патологическим состоянием клеток и тканей. Раковая опухоль становится жесткой. Атеросклероз и сосудистые аневризмы начинаются с потери эластичности клеток и артерий. Эндотелиальные клетки высвобождают трансмиттеры, которые вызывают вазоконстрикцию или вазодилатацию кровеносных сосудов, в зависимости от условий механического сдвига, связанных с током и геометрией сосудов.
«До сих пор было трудно измерить механические изменения, которые постоянно происходят в клетках», - объяснил Пол Грасланд-Монгрейн, постдокторант в лаборатории Гая Клотье и главный автор исследования.«С современными методами, основанными на деформации клеток, атомно-силовой микроскопии и рассеянии Бриллюэна, измерение упругости может занять несколько десятков минут. Для некоторых приложений это слишком медленно, потому что в клетке могут происходить тысячи событий, таких как перенос ионов., стимуляция нейронов и гибель клеток. Эти явления было бы легче отслеживать, если бы мы могли очень быстро измерять механические свойства клеток».
С помощью простого оборудования, состоящего из стандартного микроскопа, микропипеток и высокоскоростной камеры, исследователи разработали революционный метод наблюдения в режиме реального времени за смещениями и силами, присутствующими в ооцитах мышей. По словам Грега ФитцХарриса, исследователя CRCHUM, профессора Университета Монреаля и одного из сотрудников проекта, «с помощью этого нового метода клеточной визуализации мы сможем исследовать новые механизмы, участвующие в делении клеток во время формирования эмбриона».
«Вначале мы не имели ни малейшего представления об уровне пространственного разрешения, на которое мы могли надеяться, что и подтолкнуло нас к идее использования ооцитов мыши», - добавил Гай Клотье.«Эти клетки большие - около 80 микрон в диаметре - и поэтому их легче увидеть с помощью нашей новой методики микроэластографии. В наших экспериментах мы смогли наблюдать механические колебания в клетке, длящиеся менее одной тысячной секунды, благодаря используется камера, которая может снимать 200 000 кадров в секунду». Для сравнения, в кино обычно всего 25 кадров в секунду.
По снятым изображениям эти вибрации можно измерить с помощью алгоритмов отслеживания смещения. Но как по этим колебаниям реконструировать карту внутриклеточной эластичности? Ответ: с помощью метода корреляции шума, подхода, разработанного сейсмологами при измерении вибраций, вызванных землетрясениями, для определения состава подземных пород.
«Мы использовали тот же принцип для изучения внутренней структуры клетки с механической точки зрения, применяя эластографию сдвиговой волны в микрометровом масштабе», - сказал Стефан Кэтлин, физик из Национального института здоровья и медицины. de la recherche médicale (INSERM) и научный сотрудник Лионского университета во Франции.«Волна направляется в клетку со скоростью, пропорциональной эластичности компонентов, с которыми она встречается, таких как цитоплазма, ядро или другие компоненты клетки. Эластичность измеряется путем оценки скорости колебаний во времени и пространстве».
Пол Грасланд-Монгрейн объяснил процесс, через который он прошел, чтобы сделать свои наблюдения: «Используя пьезоэлектрический привод микропипетки, мы индуцировали высокочастотные вибрации (15 000 циклов в секунду) в ооцитах живых мышей. С помощью полученных изображений с помощью камеры мы измерили вибрации внутри клетки, используя алгоритм оптического потока, первоначально разработанный для ультразвуковых приложений. Затем алгоритм корреляции шума позволил нам составить карту эластичности всей клетки. Таким образом, в этом исследовании мы смогли показывают, среди прочего, что значительное снижение эластичности ооцитов мыши происходило, когда ооциты обрабатывались цитохалазином, веществом, которое, как известно, разрушает их цитоскелет».
Эта инновационная технология картирования клеточной эластичности открывает двери для многих практических применений в биологии и медицине, будь то рак, патоген-индуцированная инфекция, рубцевание или тканевая инженерия.«Теперь, когда мы продемонстрировали осуществимость технологии, мы можем отладить метод и наладить сотрудничество со специалистами в области клеточной и молекулярной биологии, физиологии и механобиологии, чтобы изучить невероятный потенциал этой области исследований», - заключил Гай Клотье.