La rigidez o elasticidad de una célula puede revelar mucho sobre si la célula está sana o enferma. Se sabe que las células cancerosas son más suaves de lo normal, mientras que las células afectadas por el asma pueden ser bastante rígidas.
Determinar las propiedades mecánicas de las células puede ayudar a los médicos a diagnosticar y rastrear la progresión de ciertas enfermedades. Los métodos actuales para hacerlo implican sondear directamente las células con instrumentos costosos, como microscopios de fuerza atómica y pinzas ópticas, que hacen contacto directo e invasivo conlas celdas.
Ahora los ingenieros del MIT han ideado una forma de evaluar las propiedades mecánicas de una célula simplemente por observación. Los investigadores usan la microscopía confocal estándar para concentrarse en los movimientos constantes y oscilantes de las partículas de una célula: movimientos reveladores que se pueden usar para descifrar el de una célularigidez. A diferencia de las pinzas ópticas, la técnica del equipo no es invasiva, corre poco riesgo de alterar o dañar una célula mientras se prueba su contenido.
"Hay varias enfermedades, como ciertos tipos de cáncer y asma, donde se sabe que la rigidez de la célula está relacionada con el fenotipo de la enfermedad", dice Ming Guo, profesor asistente de desarrollo profesional británico y Alex d'Arbeloff enDepartamento de Ingeniería Mecánica del MIT: "Esta técnica realmente abre una puerta para que un médico o biólogo, si quisieran conocer la propiedad material de la célula de una manera muy rápida y no invasiva, ahora puedan hacerlo".
Guo y el estudiante graduado Satish Kumar Gupta han publicado sus resultados en el Revista de Mecánica y Física de los Sólidos .
revolviendo cucharas
En su tesis doctoral de 1905, Albert Einstein derivó una fórmula, conocida como la ecuación de Stokes-Einstein, que permite calcular las propiedades mecánicas de un material observando y midiendo el movimiento de las partículas en ese material. Solo hay un inconveniente: elel material debe estar "en equilibrio", lo que significa que cualquier movimiento de partículas debe deberse al efecto de la temperatura del material en lugar de a cualquier fuerza externa que actúe sobre las partículas.
"Puedes pensar que el equilibrio es una taza de café caliente", dice Guo. "La temperatura del café solo puede hacer que el azúcar se disperse. Ahora, si agitas el café con una cuchara, el azúcar se disuelve más rápido, pero el sistema estáya no es impulsado únicamente por la temperatura y ya no está en equilibrio. Estás cambiando el entorno, poniendo energía y haciendo que la reacción suceda más rápido ".
Dentro de una célula, los orgánulos como las mitocondrias y los lisosomas se mueven constantemente en respuesta a la temperatura de la célula. Sin embargo, dice Guo, también hay "muchos minisonones" que agitan el citoplasma circundante, en forma de proteínas y moléculas que, cadamuy a menudo, empuja activamente los orgánulos vibrantes como bolas de billar.
El constante desenfoque de la actividad en una célula ha dificultado a los científicos discernir, simplemente mirando, qué movimientos se deben a la temperatura y cuáles se deben a procesos más activos, "similares a una cuchara". Esta limitación, dice Guo,"básicamente cerró la puerta al usar la ecuación de Einstein y la observación pura para medir las propiedades mecánicas de una célula".
cuadro por cuadro
Guo y Gupta supusieron que podría haber una manera de detectar los movimientos impulsados por la temperatura en una celda al observar la celda dentro de un marco de tiempo muy estrecho. Se dieron cuenta de que las partículas energizadas únicamente por la temperatura exhiben un movimiento constante de sacudidas. No importa cuándosi observa una partícula impulsada por la temperatura, es probable que se mueva.
En contraste, los procesos activos que pueden golpear una partícula alrededor del citoplasma de una célula lo hacen solo ocasionalmente. Ver estos movimientos activos, plantearon la hipótesis, requeriría mirar una célula durante un período de tiempo más largo.
Para probar su hipótesis, los investigadores llevaron a cabo experimentos en células de melanoma humano, una línea de células cancerosas que eligieron por su capacidad de crecer fácil y rápidamente. Inyectaron pequeñas partículas de polímero en cada célula, y luego rastrearon sus movimientos bajo un confocal estándarmicroscopio fluorescente. También variaron la rigidez de las células al introducir sal en la solución celular, un proceso que extrae agua de las células, haciéndolas más comprimidas y rígidas.
Los investigadores grabaron videos de las células a diferentes velocidades de cuadro y observaron cómo los movimientos de las partículas cambiaban con la rigidez celular. Cuando observaron las células a frecuencias superiores a 10 cuadros por segundo, observaron principalmente partículas que se agitaban en su lugar; estas vibraciones aparecieroncausados solo por la temperatura. Solo a velocidades de cuadro más lentas detectaron movimientos más activos y aleatorios, con partículas disparando a distancias más amplias dentro del citoplasma.
Para cada video, rastrearon el camino de una partícula y aplicaron un algoritmo que habían desarrollado para calcular la distancia de viaje promedio de la partícula. Luego conectaron este valor de movimiento en un formato generalizado de la ecuación de Stokes-Einstein.
Guo y Gupta compararon sus cálculos de rigidez con las mediciones reales que hicieron con pinzas ópticas. Sus cálculos coincidieron con las mediciones solo cuando utilizaron el movimiento de partículas capturadas a frecuencias de 10 cuadros por segundo y más. Guo dice que esto sugiere que la partículalos movimientos que se producen a altas frecuencias son de hecho impulsados por la temperatura.
Los resultados del equipo sugieren que si los investigadores observan las células a velocidades de fotogramas lo suficientemente rápidas, pueden aislar los movimientos de partículas que son puramente conducidos por la temperatura y determinar su desplazamiento promedio, un valor que se puede conectar directamente a la ecuación de Einstein para calcular la célularigidez.
"Ahora, si las personas quieren medir las propiedades mecánicas de las células, pueden simplemente observarlas", dice Guo.
El equipo ahora está trabajando con médicos del Hospital General de Massachusetts, que esperan usar la nueva técnica no invasiva para estudiar las células involucradas en el cáncer, el asma y otras afecciones en las que las propiedades celulares cambian a medida que la enfermedad progresa.
"Las personas tienen una idea de que la estructura cambia, pero los médicos quieren usar este método para demostrar si hay un cambio y si podemos usarlo para diagnosticar estas afecciones", dice Guo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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