Квантовый микроскоп на основе алмаза предлагает эффективный подход для измерения клеточных сил

Клетки постоянно взаимодействуют с микроокружением для выживания и выполнения функций. Точное измерение крошечных сил клеточной адгезии (от пиконьютонов до нескольких наноньютонов) критически важно для понимания механорегуляции.

Существующие методы (микроскопия тракционной силы, оптические/магнитные пинцеты, флуоресцентная микроскопия молекулярного натяжения — MTFM) имеют ограничения в чувствительности и интерпретации данных. MTFM также страдает от стохастического фотообесцвечивания флуорофоров.

Необходима новая методика точного измерения клеточных сил без флуоресцентных меток для прогресса в механобиологии.

Проект под руководством профессора Чжициня Чу (Гонконгский университет) и профессора Цяна Вэя (Сычуаньский университет) применил безындикаторную квантовую сенсорику для измерения клеточных сил в наномасштабе. Это преодолевает ограничения традиционных методов и даёт новые возможности для изучения клеточной механики, включая влияние сил адгезии на распространение раковых клеток.

Разработана Квантово-усиленная алмазная микроскопия молекулярного натяжения (QDMTM). По сравнению с методами, использующими флуоресцентные зонды, QDMTM потенциально решает проблемы фотообесцвечивания, ограниченной чувствительности и неоднозначности данных. Датчики QDMTM можно очищать и использовать повторно, что повышает точность сравнения сил адгезии между разными образцами.

Новый метод меняет подход к изучению клеточно-клеточных и клеточно-материальных взаимодействий, что важно для биофизики и биомедицинской инженерии. Результаты опубликованы в Science Advances в статье "Quantum-enhanced diamond molecular tension microscopy for quantifying cellular forces".

В основе QDMTM — сочетание растяжения полимера (силового преобразователя) под действием клеточных сил с временем продольной релаксации NV-центров (азото-замещённых вакансий) в алмазе. Уникальные квантовые свойства спинов электронов NV-центров обеспечивают беспрецедентную чувствительность и точность метода.

Ключевая инновация — использование «силового преобразователя» — полимера, чувствительного к силе, который преобразует механические сигналы в магнитные. Измеряя изменения времени релаксации спинов NV, вызванные магнитным шумом, можно определить силы адгезии, которые клетки оказывают на преобразователь. Существующие методы не могут эффективно измерять стохастические магнитные сигналы в наномасштабе.

QDMTM позволила успешно дифференцировать клетки в разных состояниях адгезии. Величина клеточных сил в разных регионах клетки соответствовала ранее полученным данным, что подтверждает точность метода.

Следующий этап — масштабирование квантового сенсора с массивного алмаза до наноразмерных алмазных частиц, что позволит измерять клеточные силы в любом направлении.