蒙特利爾大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種獨(dú)特的技術(shù)，可以在毫秒級內(nèi)繪制細(xì)胞內(nèi)組分的彈性。細(xì)胞震動。在某種程度上，地震學(xué)家利用地球的振動來表征其深層結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種利用細(xì)胞內(nèi)的振動來識別其機(jī)械特性的方法。因而誕生了細(xì)胞地震學(xué)領(lǐng)域。

“我們開發(fā)了一種獨(dú)特的技術(shù)，可以在幾毫秒的范圍內(nèi)繪制細(xì)胞內(nèi)組分的彈性，”蒙特利爾大學(xué)醫(yī)院研究中心(CRCHUM)研究員，蒙特利爾大學(xué)教授Guy Cloutier說。“這開辟了一個(gè)全新的機(jī)械生物學(xué)研究領(lǐng)域，研究細(xì)胞內(nèi)位移的動態(tài)，并了解這些力對疾病和治療的影響。”

這項(xiàng)名為“細(xì)胞地震彈性成像”的技術(shù)發(fā)表在今天發(fā)表在“美國國家科學(xué)院院刊”(PNAS)上的一篇文章中。

彈性是細(xì)胞的基本特性，與細(xì)胞和組織的解剖學(xué)，功能和病理狀態(tài)有關(guān)。癌性腫瘤變得僵硬。動脈粥樣硬化和血管動脈瘤開始于細(xì)胞和動脈的彈性喪失。取決于與血管流動和幾何形狀相關(guān)的機(jī)械剪切條件，內(nèi)皮細(xì)胞釋放引起血管血管收縮或血管舒張的發(fā)射器。

“直到現(xiàn)在，很難測量細(xì)胞中不斷發(fā)生的機(jī)械變化，”Guy Cloutier實(shí)驗(yàn)室的博士后實(shí)習(xí)生Pol Grasland-Mongrain解釋說，該研究的主要作者。“根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，基于細(xì)胞變形，原子力顯微鏡和布里淵散射，測量彈性可能需要幾十分鐘。對于某些應(yīng)用，這太慢了，因?yàn)榧?xì)胞中可能發(fā)生數(shù)千個(gè)事件，如離子轉(zhuǎn)移如果我們能夠非常快速地測量細(xì)胞的機(jī)械特性，那么這些現(xiàn)象將更容易追蹤。“，神經(jīng)元刺激和細(xì)胞死亡。

憑借由標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡，微量移液管和高速攝像機(jī)組成的簡單設(shè)備，研究人員開發(fā)出一種革命性的方法，可實(shí)時(shí)觀察小鼠卵母細(xì)胞中存在的位移和力。根據(jù)蒙特利爾大學(xué)CRCHUM研究員和項(xiàng)目合作者之一的研究員Greg FitzHarris的說法，“利用這種新的細(xì)胞成像方法，我們將能夠研究胚胎形成過程中細(xì)胞分裂的新機(jī)制”。

“一開始，我們不知道我們希望的空間分辨率水平，這就是讓我們使用鼠卵母細(xì)胞的想法，”Guy Cloutier補(bǔ)充道。“這些細(xì)胞很大 - 直徑約80微米 - 因此使用我們新的微彈性技術(shù)更容易觀察。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們能夠觀察到細(xì)胞中的機(jī)械振動持續(xù)不到千分之一秒，這要?dú)w功于使用相機(jī)，可以每秒捕捉200,000幀。“通過比較，電影通常每秒只有25幀。

捕獲圖像后，可以使用位移跟蹤算法測量這些振動。但是如何從這些振動中重建細(xì)胞內(nèi)彈性圖呢?答案：通過使用噪聲相關(guān)技術(shù)，地震學(xué)家在測量地震產(chǎn)生的振動以確定地下巖石成分時(shí)開發(fā)的方法。

“我們使用同樣的原理從機(jī)械的角度探索細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在微米尺度上應(yīng)用剪切波彈性成像，”Stefan Catheline說，他是國家衛(wèi)生研究所和物理學(xué)家的物理學(xué)家。 INSERM)和法國里昂大學(xué)的研究員。“波以與其遇到的組分的彈性成比例的速度被送入細(xì)胞，例如細(xì)胞質(zhì)，細(xì)胞核或其他細(xì)胞成分。通過評估時(shí)間和空間振動的速度來測量彈性。”

Pol Grasland-Mongrain解釋了他進(jìn)行觀察的過程：“使用微量移液管壓電致動器，我們將高頻振動(每秒15,000個(gè)周期)引入活體小鼠卵母細(xì)胞。通過相機(jī)捕獲的圖像，我們測量了使用最初為超聲應(yīng)用開發(fā)的光流算法，在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行振動。接下來，噪聲相關(guān)算法允許我們繪制整個(gè)細(xì)胞的彈性。因此，在這項(xiàng)研究中，我們能夠顯示，除其他外，當(dāng)用細(xì)胞松弛素處理卵母細(xì)胞時(shí)，小鼠卵母細(xì)胞彈性顯著降低，細(xì)胞松弛素是一種已知會破壞細(xì)胞骨架的物質(zhì)。

這種創(chuàng)新的細(xì)胞彈性作圖技術(shù)為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的許多實(shí)際應(yīng)用打開了大門，無論是癌癥，病原體誘導(dǎo)的感染，瘢痕形成還是組織工程。“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)的可行性，我們可以對這種方法進(jìn)行微調(diào)，并與細(xì)胞和分子生物學(xué)，生理學(xué)和機(jī)械生物學(xué)專家展開合作，探索這一研究領(lǐng)域的巨大潛力，”Guy Cloutier總結(jié)道。