Magnetyczna sonda mikrorobota może określać sztywność i siły pociągowe kolonii komórkowych i zarodków in vivo

W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nauka o robotycezespół naukowców stworzył małą sondę magnetyczną, która może określić sztywność i siłę pociągową kolonii komórek rakowych i rozwijających się zarodków kręgowców.

Profesor Ning Wang, z przodu po prawej, dołączają od lewej badacze Fazal Rashid, Kshitij Amar i Parth Bhalla. Źródło obrazu: Fred Zwicky

tło

Coraz więcej dowodów wskazuje, że dwoma podstawowymi parametrami mechanicznymi w funkcjonowaniu komórek i tkanek oraz ich rolą w rozwoju, fizjologii i szerokim zakresie chorób są siły rozciągające lub siły skurczu generowane przez komórki i sztywność. Jednak siły trakcyjne zależne od aktomiozyny są silniejsze w nabłonku jednowarstwowym, podczas gdy sztywność dominuje w nabłonku wielowarstwowym.

Kwantyfikacja zarówno sztywności, jak i sił trakcyjnych 3D w tej samej lokalizacji tkanki biologicznej okazała się trudna ze względu na charakter sondy wymaganej do pomiaru każdego z tych parametrów. Pomiar sił trakcyjnych wymaga miękkiej sondy, ponieważ odkształcenie sondy wskazuje siłę trakcyjną. Twardość mierzy się za pomocą sondy twardości, która może przykładać siłę nacisku lub momentu obrotowego w celu odkształcenia próbki. Chociaż opracowano różne czujniki do określania sztywności i sił trakcyjnych 3D, określając te dwa parametry na żywo Korzystanie z tej samej sondy pozostaje wyzwaniem.

o studiowaniu

W tym badaniu naukowcy opracowali sterowaną magnetycznie, zdalnie sterowaną mikroskopową sondę wykonaną z magnetycznych mikrozłączy kobaltu i platyny, które były biokompatybilne. Każdy mikrokryształ został osadzony w sztywnym mikrożelu poli(glikolu etylenowego) (PEG) z koniugatem argininy-glicyny-kwasu asparaginowego.

Osadzony twardy mikrożel można obracać za pomocą oscylującego pola magnetycznego i wykorzystywać do pomiaru twardości. Następnie zmierzono siły trakcji 3D przez wystawienie mikrożelu PEG z osadzonymi nanocząstkami fluorescencyjnymi na działanie światła ultrafioletowego w celu fotodegradacji i zmiękczenia sondy.

Sonda została wykorzystana do określenia sztywności i trójwymiarowych sił trakcyjnych kolonii komórek odtwarzających nowotwór złośliwy wyizolowanych z mysich linii komórkowych czerniaka hodowanych na żelowej matrycy fibrynowej. Po zmierzeniu sztywności kolonii komórek nowotworowych żel PEG rozcieńczono przez wystawienie mikrorobota na działanie światła UV i określenie odkształcenia żelu przez otaczające komórki nowotworowe.

Co więcej, sondy mikrorobotów zostały również wykorzystane do pomiaru sił trakcyjnych 3D i sztywności zarodków danio pręgowanego i myszy.

wyniki

Wyniki pokazują, że w zależności od elastyczności podłoża 3D zmienia się moduł lub sztywność kolonii komórek nowotworu złośliwego, ale siły trakcyjne 3D nie. Co więcej, jednoczesna analiza sztywności 3D i sił trakcyjnych w tym samym miejscu kolonii komórek nie wykazuje korelacji.

Kwantyfikacja sztywności i sił trakcyjnych w zarodkach danio pręgowanego ujawniła duże oscylacje sił trakcyjnych podczas rozwoju embrionalnego, przy normalnych siłach ścinających i trakcyjnych o podobnych wielkościach. Natomiast zarodki szczurów wykazywały również oscylacje sił trakcyjnych podczas rozwoju, ale normalne siły trakcyjne były wyższe niż siły trakcyjne ścinające. Podczas stadium blastocysty zarodki myszy generowały większe oscylacje w siłach rozciągających i ściskających niż w siłach rozciągających.

W porównaniu z poprzednimi metodami wykorzystującymi sondy magnetyczne, w przypadku których nie można było zmierzyć właściwości dynamicznych próbek biologicznych, naukowcy stwierdzili, że sonda mikromagnetyczna może określać różne właściwości reologiczne, w tym moduł stratności i moduł zachowawczy. Co więcej, metoda wyżarzania sondy mikrorobota przy użyciu światła ultrafioletowego umożliwia określenie zakresu ścinania 3D i normalnych sił trakcyjnych dla próbek biologicznych.

Zbadano potencjalną zmianę zmierzonych sił trakcyjnych pod wpływem samego mikrokrzyża magnetycznego, a wyniki wykazały, że mikrokrzyż miał niewielki wpływ na siły trakcyjne 3D. Ponadto normalne siły ścinające i rozciągające nie zmieniły się wraz ze zmiękczeniem lub pęcznieniem mikrożeli w wyniku ekspozycji na promieniowanie UV. Ponadto orientacja i położenie mikrokrzyży w mikrożelu PEG względem pola magnetycznego nie wpłynęło na pomiary sztywności. Co więcej, metalowy mikrokrzyż nie zakłócał zmiękczania mikrożelu PEG pod wpływem światła UV

wnioski

Podsumowując, w ramach tego badania naukowcy opracowali zdalnie sterowanego robota magnetycznego do określania sił trakcyjnych i sztywności kolonii komórkowych w 3D. na żywo W tym samym czasie. Malutki robot był testowany na kulturach komórkowych kolonii komórek nowotworowych, a także na zarodkach danio pręgowanego i myszy. Wyniki wskazują, że mikrorobot był w stanie z powodzeniem zmierzyć sztywność i siły rozciągające kolonii komórek na żywo oraz że siły trakcyjne odgrywają główną rolę w regulowaniu wczesnego rozwoju embrionalnego. Ta mała sonda robota może być używana do badania mechanicznej organizacji zarodków i kultur komórkowych.