Как измерили плотность отдельной клетки: метод, основанный на принципе Архимеда

Более 2000 лет спустя после того, как Архимед определил плотность короны царя, измерив её массу в двух разных жидкостях, учёные MIT использовали тот же принцип для решения сложной задачи — измерения плотности отдельной живой клетки.

«Плотность — это фундаментальное, базовое свойство всего, — говорит Уильям Гровер, научный сотрудник MIT. — Каждая клетка вашего тела имеет плотность, и если её точно измерить, это открывает новое окно в биологию этой клетки».

Новый метод, описанный в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе 20 июня, включает измерение плавучей массы каждой клетки в двух жидкостях разной плотности. Измерение плотности клетки может дать исследователям биомедицинскую информацию о фундаментальных клеточных процессах, таких как адаптации для выживания, а также может быть полезно для идентификации больных клеток.

Гровер и недавний выпускник MIT Андреа Брайан — ведущие авторы статьи. Оба работают в лаборатории Скотта Маналиса, профессора биологической инженерии, члена Института интегративных исследований рака Дэвида Х. Коха и старшего автора работы.

Технология измерения

Измерение плотности живых клеток сложно, так как требует взвешивания клеток в их естественной жидкой среде, чтобы сохранить их живыми, и метода измерения каждой клетки в двух разных жидкостях.

В 2007 году Маналис и его студенты разработали первый метод измерения плавучей массы отдельных живых клеток. Их устройство, известное как «резонатор с подвесным микроканалом», пропускает клетки в жидкости через микроканал, проходящий по крошечной кремниевой консоли. Когда клетка проходит через канал, частота вибрации консоли меняется. Плавучая масса клетки рассчитывается по изменению частоты.

Чтобы адаптировать систему для измерения плотности, исследователям нужно было пропустить каждую клетку через канал дважды, каждый раз в другой жидкости. Плавучая масса клетки зависит от её абсолютной массы и объёма, поэтому, измерив две разные плавучие массы для клетки, можно вычислить её массу, объём и плотность.

Новое устройство быстро меняет жидкости в канале, не повреждая клетку. Весь процесс измерения для одной клетки занимает всего около пяти секунд.

Изменения плотности

Исследователи протестировали свою систему на нескольких типах клеток, включая эритроциты и клетки лейкемии.

В исследовании лейкемии клетки обработали антибиотиком стауроспорином, а затем измерили их плотность менее чем через час. Даже за такое короткое время уже было заметно изменение плотности: клетки становились плотнее по мере начала гибели. Плотность обработанных клеток лейкемии увеличилась всего примерно на 1% — изменение, которое было бы трудно обнаружить без высокочувствительного устройства. Из-за такой быстрой реакции и чувствительности этот метод может стать хорошим способом скрининга потенциальных противораковых препаратов.

«Было очень легко по измерению плотности идентифицировать клетки, отреагировавшие на препарат. Если бы мы смотрели только на массу или только на объём, мы никогда бы не увидели этого эффекта», — говорит Брайан.

Исследователи также показали, что заражённые малярией эритроциты теряют плотность по мере прогрессирования инфекции. Эта потеря плотности уже была известна, но впервые её наблюдали на отдельных клетках.

Возможность обнаруживать изменения плотности эритроцитов также может предложить новый способ тестирования спортсменов, пытающихся сжульничать с помощью «допинга крови» — удаления и хранения собственной крови с последующим переливанием перед соревнованиями для повышения количества эритроцитов. Хранение крови может изменить её физические характеристики, и если эти изменения включают плотность, данная методика может обнаружить такой допинг.

Исследователи из лаборатории Маналиса теперь изучают плотность других типов клеток и начинают работать над измерением отдельных клеток по мере их роста с течением времени — в частности, раковых клеток, для которых характерен неконтролируемый рост.

«Понимание того, как плотность отдельных раковых клеток связана со злокачественным прогрессом, может дать фундаментальное представление о лежащих в основе клеточных процессах, а также привести к клиническим стратегиям лечения пациентов», — говорит Маналис.

Источник: MIT News