Wibrujące komórki ujawniają swoje dolegliwości

Łącząc fizykę, inżynierię i mikrobiologię, naukowcy z MIT zmierzyli częstotliwość wibracji czerwonych krwinek i wykazali, że częstotliwości te odzwierciedlają zdrowie komórek. Badania mogą doprowadzić do lepszej diagnostyki medycznej.

Żywe komórki: Michael Feld i Subra Suresh z MIT, za pomocą techniki opracowanej w laboratorium Felda, byli w stanie zobrazować wibracje błony komórki krwi zakażonej pasożytem malarii (u góry). Technika Felda dostarczyła również obrazów wnętrza komórek (na dole), umożliwiając naukowcom skorelowanie częstotliwości drgań komórek z postępem choroby.

Praca została wykonana we współpracy z fizykiem z MIT Michael Field oraz Subra Suresh , dziekan Wydziału Inżynierii MIT i materiałoznawca. Feld kieruje Centrum Badań Biomedycznych Laserów MIT, które opracowało technikę obrazowania, która umożliwia tworzenie trójwymiarowych obrazów żywych komórek. Laboratorium Suresha przeprowadziło eksperymenty, aby zmierzyć takie rzeczy, jak sztywność czerwonych krwinek zakażonych pasożytami malarii.

W czerwonej krwince zachodzi aktywność elektryczna, chemiczna i biologiczna, co powoduje drgania w nanoskali na jej powierzchni. Aby zmierzyć częstotliwości drgań komórek, naukowcy połączyli technikę obrazowania Felda z mikroskopią dyfrakcyjną, w której wiązka laserowa przechodząca przez komórkę łączy się z wiązką referencyjną, która tego nie robi, tworząc charakterystyczny wzór interferencji. Aby ustalić związek między wibracją komórek a ich zdrowiem, naukowcy wykorzystali technikę Felda do stworzenia trójwymiarowych obrazów pasożyta malarii wewnątrz czerwonej krwinki. Zmierzyli również poziom hemoglobiny wewnątrz komórek na różnych etapach infekcji malarii.

To nigdy wcześniej nie zostało zrobione, mówi Ares Rosakis , profesor aeronautyki i inżynierii mechanicznej w California Institute of Technology. Skalowanie technik optycznych do poziomu [nanoskali] jest niezwykle trudne. (Rosakis nie był zaangażowany w prace, chociaż jeden z jego byłych absolwentów był.)

Rosakis widzi dwa zastosowania nowych technik. Jednym z nich jest udoskonalenie komputerowych modeli ogniw, ponieważ pomiary Felda i Suresha są o wiele dokładniejsze niż poprzednie pomiary. Drugi to lepsza diagnostyka. Amerykańskie Centra Kontroli Chorób (CDC) zauważają, że obecnie główny test na malarię nie działa na ostrą malarię : rozpoznaje chorobę dopiero po fakcie. Ostatecznie technika taka jak Feld i Suresh może zapewnić sposób na wykrycie malarii w trakcie jej trwania. Pomyśl o przyszłości lekarza, a nawet nieprzeszkolonego technika, który ma [technologię] wbudowaną w komercyjny mikroskop i… natychmiast otrzymuje odczyt stanu choroby, mówi Rosakis.

Suresh zauważa, że ​​inżynierowie mechanicy rzadko pracowali nad biologią komórki, a jeszcze rzadziej z fizykami. Ale on i Feld nie muszą wychodzić z budynku, by współpracować, mówi.

Oboje zaczęli współpracować około dwa i pół roku temu, po tym, jak Feld zaprosił Suresha, aby wygłosił wykład na temat pracy, jaką jego laboratorium wykonuje nad komórkami malarii. Po przemówieniu Suresha obaj postanowili połączyć siły – i instrumenty – aby zmierzyć prędkość, z jaką wibrują zdrowe i chore krwinki czerwone.

Wybrali komórki malarii ze względu na doświadczenie Suresha w pracy z nimi, ale oznaczało to, że laboratorium Felda musiało zostać zmodernizowane, aby spełnić standardy bezpieczeństwa biologicznego CDC poziomu 2. Projekt ten był prowadzony przez jednego z badaczy z zespołu Suresha, Monikę Diez-Silva, jedyną mikrobiologa w obu grupach.

Najeźdźca malarii potrzebuje 48 godzin, aby przejść przez swój cykl życiowy, rozwijając się, rozmnażając i wyrzucając z komórki. Naukowcy musieli zatem ocenić zainfekowane komórki na każdym etapie tego 48-godzinnego procesu, w temperaturach symulujących gorączkę i chłodzenie, których doświadcza ludzki organizm podczas infekcji malarii.

Wibrujące błony komórkowe poruszają się zaledwie o nanometry na raz, a te ruchy zachodzą w mikrosekundach – milionowych częściach sekundy. Aby przechwycić dane z wiązki laserowej przechodzącej przez komórki, naukowcy wykorzystali technikę obrazowania Felda, która łączy wiele obrazów w kompozyt. Technika ta jest rodzajem tomografii, zasady leżącej u podstaw skanów tomografii komputerowej (CT).

Rosakis mówi, że obrazowanie za pomocą wzorów interferencyjnych jest szczególnie trudne, gdy patrzy się na czerwone krwinki, które mają kształt pączka i są płynne, stale zmieniające kształt we wszystkich kierunkach.

Pierwszy zestaw eksperymentów Suresha i Felda zajął prawie osiem miesięcy, w tym tygodnie i tygodnie, aby zebrać trójwymiarowe obrazy pasożytów wewnątrz komórek. Potem postanowili przyjrzeć się poziomom hemoglobiny, co również zajęło miesiące. Spędzili prawie sześć miesięcy na pisaniu wyników, które zostaną opublikowane w Materiały Narodowej Akademii Nauk w tym tygodniu.

Suresh mówi, że badania powinny dotyczyć każdego innego rodzaju żywych komórek. On i Feld chcą przyjrzeć się czerwonym krwinkom z anemią sierpowatą i prawdopodobnie komórkom rakowym, chociaż trudniej będzie badać komórki, które mają jądro.

Techniki Suresha i Felda nie mogą być jeszcze wykorzystywane do diagnozowania chorób, ale Suresh twierdzi, że ich praca stanowi podstawę naukową umożliwiającą pomiar choroby na poziomie komórkowym.

ukryć