Этот метод, который включает введение крошечных капель масла, может привести к появлению новых инструментов для диагностики рака, гипертонии, заболеваний соединительной ткани и многого другого. Ученые из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете сообщили о своей работе в Интернете 8 декабря в журнале Nature Methods.
«Теперь, когда мы можем количественно измерить клеточные силы, мы можем найти совершенно новые способы диагностики чрезвычайно широкого спектра заболеваний, которые изменяют сократительную способность клеток и жесткость тканей», – сказал Дон Ингбер, директор-основатель Института Висса, профессор биоинженерии в SEAS, и старший автор исследования. "Что не менее важно, мы можем ответить на важнейшие вопросы о развитии, которые бездействовали десятилетиями."
Биологические ткани не просто находятся внутри тела; они постоянно находятся в движении, при этом клетки притягивают и подталкивают другие клетки и внеклеточный матрикс, молекулярный каркас, который связывает клетки вместе в ткани. В результате ткани живут в состоянии динамического напряжения, как частично натянутая резинка.
Исследования на выращенных в лаборатории клетках показывают, что механические силы так же важны в регулировании биологической функции, как химические вещества и гены. Но у ученых не было возможности изучить эти механизмы контроля в развитии эмбрионов, потому что у них не было возможности количественно оценить механические силы в определенных местах в живых тканях.
Такие силы особенно важны, поскольку тело развивается из оплодотворенной яйцеклетки в ткани и органы со специальными формами и функциями – процесс, известный как морфогенез. Биологи, изучающие морфогенез, знали, что по мере развития эмбриона механические силы заставляют клетки размножаться, перемещаться в нужное место и специализироваться.
Но они давно сосредоточились на детализации генов и клеточных путей, которые направляют и координируют этот процесс, а не на роли клеточных сил – просто потому, что у них не было инструментов для измерения этих сил, – сказал Отгер Кампас, доцент кафедры механики. инженер, заведующий кафедрой системной биологии Меллихэмпа в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB). Кампас ранее был докторантом в SEAS и Институте Висса.
"Формирование тканей и органов связано с взаимодействием генетики и физики.
Если вы не можете измерить физическую сторону этого, вы не сможете полностью понять проблему », – сказал Кампас.
Ученые ранее разработали несколько методов количественного определения того, как клетки толкают и тянут друг друга во время роста в лабораторной посуде. Но у них не было хорошего способа измерить эти силы, пока клетки строят трехмерные ткани в своей естественной среде.
Кампас решил изобрести один.
Будучи докторантом, он использовал капли масла для измерения сил, оказываемых сетью белковых нитей, которые управляют движением клеток. Вдохновленный этой работой, он решил попробовать использовать микрокапли масла в качестве преобразователей силы в живых тканях.
Кампас, Ингбер и их коллеги из SEAS и Гарвардской медицинской школы определили специальное масло, называемое фторуглеродом, которое остается отдельно от клеточной мембраны, как масло от воды, и безопасно для клеток и тканей.
Затем они разработали специальное покрытие для капель, чтобы оно прилипало к клеткам или внеклеточному матриксу. Это позволило им измерить, как клетки толкают и тянут в живых тканях.
Они также покрывали капли химическим веществом, которое заставляло их поверхность светиться при освещении лазером, а затем снимали это на видео под микроскопом, когда клетки тянули и давили на каплю в 3D. Капли масла сами по себе имеют сферическую форму, но при их сжатии или растяжении они деформируются, как при сжатии или растяжении водяного шара. Измеряя, насколько деформирована каждая капля, ученые могли точно рассчитать силу, действующую на нее со стороны прилипших к ней соседних клеток и внеклеточного матрикса.
Используя новый метод, ученые смогли количественно оценить силы внутри выращенных в лаборатории трехмерных агрегатов опухолевых клеток молочной железы мыши и внутри живых трехмерных тканей челюстей эмбриона мыши. Они обнаружили, что отдельная клетка оказывает огромное влияние – давление на каплю в 24 раза больше, чем на челюсти муравья, и что клетки оказывают такое же количество силы в культивируемых агрегатах, как и в тканях, что дает уверенность в точности метода.
В своей новой лаборатории в UCSB Кампас теперь использует этот метод для определения пространственных паттернов сил, которые формируют различные эмбриональные структуры у рыб, кур и других организмов.
Помимо Кампаса и Ингбера, в исследовательскую группу входили Л. Махадеван, Лола Инглэнд де Вальпине, профессор прикладной математики в Гарвардском университете SEAS, профессор организмической и эволюционной биологии и физики, а также один из основных преподавателей Института Висса; Дэвид А. Вайц, профессор физики и прикладной физики Маллинкродта в Гарвардском университете SEAS и член-корреспондент Института Висса; Ричард Маас, профессор медицины Гарвардской медицинской школы (HMS) и Бригама и женской больницы; Таданори Маммото, инструктор HMS и Бостонской детской больницы; Шон Хассо, бывший постдок Бостонской детской больницы; и Ральф А. Сперлинг, бывший постдок Гарвардского морского университета; Дэниел О’Коннелл, доктор философии.D. ’11, и Эшли Бишоф, доктор философии.D.
13 г., бывшие аспиранты HMS.
Их работа финансировалась Национальными институтами здравоохранения, консорциумом SysCode, Фондом Макартура, Национальным научным фондом через Центр материаловедения и инженерии в Гарварде и Институтом Висс.