Ученые разработали зонд, измеряющий жесткость клеток и действующие там силы

Крошечный механический зонд, способный измерять присущую живым клеткам и тканям жесткость, а также внутренние силы, которые клетки генерируют, чтобы оказывать воздействие друг на друга, разработали ученые из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн, 25 января сообщает пресс-служба университета. Исследователи рассказали, что их «магнитный микроробот» стал первым микрозондом, способным количественно оценить механические свойства клеток и тканей. Полученные с его помощью данные помогут продвинуть науку в понимании клеточных процессов, связанных, например, с эмбриональным развитием или болезнями. Руководитель исследования, профессор механики и инженерии университета Нин Ван отметил: «Живые клетки генерируют силы посредством белковых взаимодействий, и эти силы очень трудно измерить. Большинство зондов могут либо измерять силы, активно генерируемые самими тканями и клетками, которые мы называем натяжением, либо они могут измерять их жесткость, но не и то, и другое вместе». Для измерения жесткости клеток, зонд должен сам быть относительно жестким, чтобы сжимать, растягивать или скручивать ткани и количественно определять силу сопротивления. Однако для измерения собственных внутренних сокращений или расширений клетки, зонд должен быть относительно мягким и упругим. Ван и его коллеги ранее уже разрабатывали зонды для измерения этих механических свойств клетки в отдельности. Но они поставили перед собой задачу создать более универсальный зонд, который мог бы производить и те и другие измерения. Универсальный зонд позволил бы лучше понять, как механические свойства клеток влияют на такие заболевания, как атеросклероз или рак, или же на развитие эмбриона. Добиться таких как бы противоположных механических свойств зонда — жесткости и упругости, которые можно было бы переключать по желанию оператора уже внутри исследуемой живой ткани, ученые решили с помощью использования гидрогелей из биосовместимого материала — полиэтиленгликоля (ПЭГ). Команда разработала метод встраивания магнитного «микрокреста» в жесткий ПЭГ-гидрогель, а соавтор проекта Кристи Ансет, профессор химической и биологической инженерии в Университете Колорадо, разработала метод размягчения гидрогеля с помощью ультрафиолетового света. Исследователи провели несколько серий экспериментов, вводя свои зонды в выращенные в лаборатории опухолевые массы, а также в эмбрионы рыбок Данио. С помощью электромагнитного поля ученые активировали зонды, которые воздействовали на ткани с различной силой, чтобы определить величину их жесткости. После этого они воздействовали на опухолевую массу или эмбрионы ультрафиолетовым светом, что размягчало ПЭГ-матрицу зондов, позволяя зондам измерять силы, создаваемые клетками в тканях. Эксперимент показал, что с помощью разработанных исследователями зондов можно получить точную информацию как о жесткости тканей, так и о силах натяжения, действующих в них. Так, впервые было установлено, что, хотя злокачественные опухоли могут становиться более жесткими в ответ на воздействие окружающих тканей, раковые клетки не изменяют своих сил натяжения, независимо от их близости к мягким или жестким материалам. Ван отметил, что этот факт бросает вызов распространенному мнению о том, что физические характеристики окружающей ткани приводят к изменениям внутренних сил раковых клеток, позволяя им метастазировать. С помощью новых зондов были зафиксированы колебательные движения клеток во время эмбрионального развития. Эти данные могут дать новое представление о том, как такие перемещения влияют на структуру органов, тканей и конечностей по мере того, как идет развитие организма из отдельных клеток в сложные ткани, указал Ван. Результаты своей работы ученые представили в журнале Science Robotics. Эмбриональные исследования выполнили ученые Китайской академии наук и Университета науки и техники Хуачжун в Ухане.