Учёные разработали технологию для измерения вращательного движения клеток

Механика играет фундаментальную роль в биологии клетки. Клетки воспринимают механические силы, чтобы исследовать своё окружение и чувствовать поведение соседних живых клеток. Физические характеристики среды, в свою очередь, влияют на функции клетки. Понимание этого взаимодействия даёт ключевые знания в биологии и имеет значение для медицины, включая диагностику заболеваний и терапию рака.

Для изучения взаимодействия клеток с их 3D-микроокружением уже разработано множество инструментов. Одна из самых популярных технологий — микроскопия силы тракции (TFM). Это ведущий метод для определения сил тракции на поверхности субстрата клетки, дающий важную информацию о том, как клетки чувствуют, адаптируются и реагируют на силы.

Однако применение TFM ограничено предоставлением информации о поступательном движении маркеров на клеточных субстратах. Информация о других степенях свободы, например, о вращательном движении, остаётся умозрительной из-за технических ограничений.

Инженеры из Университета Гонконга предложили новую методику для измерения поля силы тракции клетки. Междисциплинарную исследовательскую группу возглавили доктор Чжицинь Чу и доктор Юань Линь. Они использовали одиночные азотно-замещённые вакансии (NV-центры) в наноалмазах (NDs), чтобы предложить метод модуляции линейной поляризации (LPM), который может измерять как вращательное, так и поступательное движение маркеров.

Исследование даёт новый взгляд на измерение многомерного поля клеточной силы тракции, а его результаты опубликованы в журнале Nano Letters.

Исследование показало высокоточные измерения вращательного и поступательного движения маркеров на поверхности клеточного субстрата. Эти экспериментальные результаты подтверждают теоретические расчёты.

Флуоресцентные наноалмазы с NV-центрами, благодаря своей сверхвысокой фотостабильности, хорошей биосовместимости и удобному химическому модифицированию поверхности, являются отличными флуоресцентными маркерами для биологических приложений. Учёные обнаружили, что на основе измерения зависимости интенсивности флуоресценции от ориентации одиночного NV-центра относительно направления поляризации лазера можно достичь высокоточных измерений ориентации и фоновой визуализации.

Таким образом, метод LPM помогает решить технические узкие места в измерении клеточных сил в механической биологии — области, охватывающей междисциплинарные исследования в биологии, инженерии, химии и физике.

«Большинство клеток в многоклеточных организмах испытывают силы, которые высоко организованы в пространстве и времени. Развитие многомерной микроскопии поля силы тракции клеток было одной из величайших проблем в этой области», — сказал доктор Чу.

Основная особенность исследования — возможность с высокой точностью указывать как на поступательное, так и на вращательное движение маркеров. Это большой шаг к анализу механических взаимодействий на границе раздела клетка-матрикс.

Метод LPM может помочь разобраться в сложных моментах сил, окружающих фокальные адгезии, и разделить различные механические нагрузки на наноуровне (например, нормальные тракции, силы сдвига). Он также может помочь понять, как клеточная адгезия реагирует на разные типы стресса и как это опосредует механотрансдукцию (механизм, с помощью которого клетки преобразуют механический стимул в электрохимическую активность).

Эта технология также перспективна для изучения других биомеханических процессов, включая активацию иммунных клеток, формирование тканей, а также репликацию и инвазию раковых клеток. Например, T-клеточные рецепторы, играющие центральную роль в иммунном ответе на рак, могут генерировать чрезвычайно динамичные силы, важные для роста тканей. Высокоточная технология LPM может помочь проанализировать эту многомерную динамику сил.

Исследовательская группа активно работает над методиками расширения возможностей оптической визуализации и одновременного картирования множественных наноалмазов.