Микросенсоры впервые показали, влияет ли масса клетки на скорость её роста

Исследователи из Университета Иллинойса использовали новый тип микросенсоров, чтобы ответить на один из важнейших вопросов в биологии — о связи между массой клетки и скоростью её роста.

Команда под руководством профессора электротехники, вычислительной техники и биоинженерии Рашида Башира опубликовала результаты в онлайн-раннем издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Это слияние микроразмерной инженерии и клеточной биологии», — сказал Башир. «Мы можем способствовать прогрессу в биологии, создавая новые инструменты для решения важных вопросов в клеточной биологии, исследованиях рака и тканевой инженерии».

Механика роста и деления клеток важна не только для фундаментальной биологии, но и для диагностики, разработки лекарств, тканевой инженерии и понимания рака. Например, документирование этих процессов может помочь найти конкретные мишени для лекарств, чтобы замедлить или остановить неконтролируемый рост раковых клеток.

Биологи давно задавались вопросом, растут ли клетки с фиксированной скоростью или же рост ускоряется по мере увеличения массы. Предыдущие исследования использовали совокупные популяции клеток, что не позволяло определить закономерности роста отдельных клеток.

С помощью своих маленьких и чувствительных микросенсоров исследователи из Иллинойса смогли отслеживать массу и деление отдельных клеток рака толстой кишки с течением времени — достижение, ранее невозможное. Они обнаружили, что изученные клетки действительно росли быстрее по мере увеличения массы, а не с постоянной скоростью на протяжении всего клеточного цикла.

Каждый микросенсор представляет собой крошечную подвесную платформу, изготовленную из кремния на чипе. Платформа имеет ширину всего 50 микрон — половину ширины человеческого волоса. Подвешенная «вешалка» вибрирует с определённой частотой, которая меняется при добавлении массы. По мере увеличения массы клетки резонансная частота сенсора снижается.

«Чем меньше вы делаете структуру, тем более чувствительной она становится к массе, которая на неё помещена», — пояснил Башир. «Масса клетки составляет несколько нанограмм или меньше. Если мы сможем сделать наш сенсор достаточно маленьким, то он станет чувствительным к массе клетки».

Исследователи разработали массив из сотен сенсоров на одном чипе. Они могут культивировать клетки на чипе аналогично тому, как учёные выращивают клетки в чашке. Таким образом, они могут собирать данные от многих клеток одновременно, при этом регистрируя индивидуальные измерения.

Ещё одно преимущество этих микросенсоров — возможность визуализировать клетки с помощью микроскопов во время их роста на сенсорах. Исследователи могут отслеживать клетки визуально, что открывает возможности для наблюдения за различными клеточными процессами в сочетании с изменениями массы.

«Визуализация выступает в качестве контроля. Вы можете буквально наблюдать, как клетка делится и растёт, и соотносить это со своими измерениями. Это действительно подтверждает ваши данные», — сказал Башир. «Теперь можно интегрировать множество оптических измерений с измерением массы».

Благодаря измерениям живых и фиксированных клеток исследователи также смогли извлечь физические свойства, такие как жёсткость, с помощью математического моделирования. Некоторые типы клеток жёстче других; например, костные клетки более твёрдые, а нейроны — более желеобразные. Профессора машиностроения Нараяна Алуру и К. Джимми Хсиа, соавторы статьи, провели обширное аналитическое и численное моделирование, чтобы показать, как жёсткость клетки и площадь контакта влияют на измерение массы.

Далее исследователи планируют расширить исследование на другие клеточные линии и изучить больше оптических измерений и флуоресцентных маркеров.

«Эти технологии также можно использовать в диагностических целях или для скрининга. Например, мы могли бы изучать рост клеток, их массу и изменения в структуре клеток под действием лекарств или химических веществ», — сказал Башир.