Los ingenieros del MIT han ideado una manera de evaluar las propiedades mecánicas de una célula simplemente observando. Los investigadores utilizan la microscopía confocal estándar para cero en los movimientos constantes, jiggling de las partículas de una célula.Los investigadores miden la rigidez de una célula, que puede reflejar el cáncer u otras condiciones, simplemente observándolo.
La rigidez o elasticidad de una célula puede revelar mucho acerca de si la célula está sana o enferma. Las células cancerosas, por ejemplo, se sabe que son más suaves de lo normal, mientras que las células afectadas por el asma puede ser bastante rígida.
Determinar las propiedades mecánicas de las células puede ayudar a los médicos a diagnosticar y seguir la progresión de ciertas enfermedades. Los métodos actuales para hacer esto implican el sondeo directo de células con instrumentos costosos, tales como microscopios de fuerza atómica y pinzas ópticas, que hacen contacto directo e invasivo con las células.
Ahora los ingenieros del MIT han ideado una manera de evaluar las propiedades mecánicas de una célula simplemente observando. Los investigadores utilizan la microscopía confocal estándar a cero en los movimientos constantes, jiggling de las partículas de una célula – los movimientos indicadores que se pueden utilizar para descifrar la rigidez de una célula. A diferencia de las pinzas ópticas, la técnica del equipo es no invasiva, corriendo poco riesgo de alterar o dañar una célula mientras sondea su contenido.
“Hay varias enfermedades, como ciertos tipos de cáncer y asma, donde la rigidez de la célula se sabe que está relacionada con el fenotipo de la enfermedad”, dice Ming Guo, el británico y Alex de Arbeloff Career Development Assistant Profesor en el Departamento del MIT De Ingeniería Mecánica. “Esta técnica realmente abre una puerta para que un médico o un biólogo, si quieren conocer la propiedad material de la célula de una manera muy rápida, no invasiva, ahora puede hacerlo”.
Guo y el estudiante graduado Satish Kumar Gupta han publicado sus resultados en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
Cucharas agitadoras
En su tesis doctoral de 1905, Albert Einstein derivó una fórmula, conocida como la ecuación de Stokes-Einstein, que permite calcular las propiedades mecánicas de un material observando y midiendo el movimiento de las partículas en ese material. Sólo hay una captura: el material debe estar “en equilibrio”, lo que significa que cualquier movimiento de partículas debe ser debido al efecto de la temperatura del material en lugar de las fuerzas externas que actúan sobre las partículas.
“Se puede pensar en el equilibrio como una taza caliente de café”, dice Guo. “La temperatura del café solo puede conducir el azúcar a dispersarse. Ahora, si revuelves el café con una cuchara, el azúcar se disuelve más rápido, pero el sistema ya no es impulsado por la temperatura y ya no está en equilibrio. Estás cambiando el ambiente, poniendo energía y haciendo que la reacción ocurra más rápido “.
Dentro de una célula, orgánulos como las mitocondrias y los lisosomas están constantemente jiggling en respuesta a la temperatura de la célula. Sin embargo, dice Guo, también hay “muchas minispoon” que revuelven el citoplasma circundante, en forma de proteínas y moléculas que, de vez en cuando, empujan activamente organelas vibrantes alrededor como bolas de billar.
El constante desdibujamiento de la actividad en una célula ha hecho que sea difícil para los científicos discernir, simplemente mirando, qué movimientos son debidos a la temperatura y que se deben a procesos más activos, como “cuchara”. Esta limitación, dice Guo, “básicamente ha cerrado la puerta al usar la ecuación de Einstein y la observación pura para medir las propiedades mecánicas de una célula”.
Cuadro por cuadro
Guo y Gupta supieron que podría haber una manera de arreglar los movimientos de temperatura en una celda mirando la celda en un plazo muy estrecho. Se dieron cuenta de que las partículas energizadas únicamente por la temperatura exhiben un constante movimiento de movimiento. No importa cuando usted mira una partícula conducida por la temperatura, está destinado a moverse.
En contraste, los procesos activos que pueden golpear una partícula alrededor del citoplasma de una célula lo hacen sólo ocasionalmente. Al ver que tales movimientos activos, planteaban la hipótesis, requerirían mirar una célula a lo largo de un período de tiempo más largo.
Para probar su hipótesis, los investigadores llevaron a cabo experimentos en células de melanoma humano, una línea de células cancerosas que eligieron por su capacidad de crecer fácil y rápidamente. Inyectaron pequeñas partículas de polímero en cada célula, luego rastrearon sus movimientos bajo un microscopio confocal fluorescente estándar. También modificaron la rigidez de las células introduciendo sal en la solución celular, un proceso que extrae agua de las células, haciéndolas más comprimidas y rígidas.
Los investigadores registraron videos de las células a diferentes velocidades de fotogramas y observaron cómo los movimientos de las partículas cambiaban con la rigidez celular. Cuando observaban las células a frecuencias superiores a 10 cuadros por segundo, observaban principalmente partículas que se movían en su lugar; Estas vibraciones parecían ser causadas por la temperatura sola. Sólo a velocidades de cuadros más lentas detectaron movimientos aleatorios más activos, con partículas disparando a través de distancias más amplias dentro del citoplasma.
Para cada video, rastrearon la trayectoria de una partícula y aplicaron un algoritmo que habían desarrollado para calcular la distancia de recorrido promedio de la partícula. A continuación, se conectó este valor de movimiento en un formato generalizado de la ecuación de Stokes-Einstein.
Guo y Gupta compararon sus cálculos de rigidez con las medidas reales que hicieron usando pinzas ópticas. Sus cálculos coincidían con mediciones sólo cuando utilizaban el movimiento de partículas capturadas a frecuencias de 10 fotogramas por segundo o más. Guo dice que esto sugiere que los movimientos de partículas que ocurren en las frecuencias altas son de hecho temperatura-impulsado.
Los resultados del equipo sugieren que si los investigadores observan las células con velocidades de fotogramas suficientemente rápidas, pueden aislar los movimientos de partículas que son impulsados puramente por la temperatura y determinar su desplazamiento promedio – un valor que puede ser conectado directamente a la ecuación de Einstein para calcular la rigidez de una célula.
“Ahora si la gente quiere medir las propiedades mecánicas de las células, simplemente pueden verlas”, dice Guo.
El equipo está trabajando con médicos del Hospital General de Massachusetts, que esperan utilizar la nueva técnica no invasiva para estudiar células implicadas en cáncer, asma y otras condiciones en las que las propiedades celulares cambian a medida que avanza la enfermedad.
“La gente tiene una idea de que los cambios estructurales, pero los médicos quieren utilizar este método para demostrar si hay un cambio, y si podemos utilizar esto para diagnosticar estas condiciones”, dice Guo.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
Fuente: MIT News