Para someterse a imágenes de alta resolución, las células a menudo deben cortarse en rodajas y cortarse en cubitos, deshidratarse, pintarse con manchas tóxicas o incrustarse en resina. Para las células, el resultado es una muerte segura.
Pero si los investigadores solo pueden ver el funcionamiento interno de las células muertas, solo están viendo parte de la historia. No pueden monitorear los procesos dinámicos en tiempo real de las células vivas, como las reacciones metabólicas o las respuestas a enfermedades o tratamientos.
"Los componentes y estructuras subcelulares tienen una profunda influencia en el comportamiento de la maquinaria celular compleja y la biología de sistemas", dijo Gajendra Shekhawat de la Universidad Northwestern. "Sin embargo, desentrañar las estructuras y componentes dentro de la célula es muy difícil porque son muyfrágil."
Ahora Shekhawat y Vinayak P. Dravid, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Abraham Harris en Northwestern Engineering, han desarrollado un novedoso sistema de imagen no invasivo que permite ver la arquitectura subcelular de las células vivas a escala nanométricaresolución, llamada Bioprobe de ultrasonido, la técnica combina ondas de ultrasonido con microscopía de fuerza atómica, interactuando con células vivas para determinar los cambios en su comportamiento mecánico.
Apoyado por la National Science Foundation NSF y el Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre, la investigación se publicó recientemente en Avances científicos . Shekhawat y Dravid fueron los autores corresponsales del artículo. Shekhawat, profesor asociado de investigación en ciencia e ingeniería de materiales, también fue el primer autor del artículo. La investigación se completó en el Experimento de Caracterización Atómica y Nanoescala de la Universidad Northwestern Centro NUANCE NUANCE es la instalación líder en el Programa de Infraestructura Coordinada Nacional de Nanotecnología NNCI respaldado por NSF, que tiene su sede en Northwestern y se llama Recurso Experimental de Nanotecnología Suave e Híbrida SHyNE.
A pesar de los recientes avances en imágenes, actualmente no existe un método único que proporcione imágenes de alta resolución y alta sensibilidad de las estructuras subcelulares vivas. La microscopía fluorescente y confocal, que son métodos tradicionales para monitorear las interacciones biológicas dentro de las células, sufren debaja resolución espacial y requiere colorantes o etiquetas invasivas para mejorar el contraste y resaltar las estructuras dentro de los tejidos biológicos. Las imágenes de ondas de luz y acústicas no pueden ver estructuras más pequeñas que unos pocos cientos de nanómetros. La microscopía de sonda de escaneo puede proporcionar una resolución espacial muy alta pero solo puede identificar la superficieestructuras en lugar de mirar dentro de una célula. Y aunque la microscopía electrónica puede ver detalles finos a nivel subcelular, es una técnica destructiva que no se puede usar para vivir tejidos biológicos.
"Han existido muchos obstáculos", dijo Dravid, que dirige el Centro NUANCE y el recurso SHyNE. "La caracterización de la dinámica compleja de los procesos biológicos, especialmente las vías de señal a resolución a nanoescala, ha seguido siendo un desafío".
Sin embargo, la Bioprobe de ultrasonido de Shekhawat y Dravid pasa por alto estos problemas. Sus ondas de ultrasonido representan de manera no invasiva las características intracelulares profundamente enterradas. Y su sonda de microscopía de fuerza atómica proporciona alta sensibilidad y contraste mecánico de las ondas de ultrasonido dispersas. ¿El resultado? No destructivo, notablemente imágenes de nanoescala de alto contraste de estructuras y componentes en el interior de tejidos y células vivas.
"Utilizando este enfoque no invasivo, podemos monitorear las imágenes en tiempo real de los cambios nanomecánicos en sistemas biológicos complejos", dijo Shekhawat. "Esto podría proporcionar pistas para diagnósticos tempranos y posibles vías para desarrollar estrategias terapéuticas".
Luego, el equipo planea expandir su técnica a diversas aplicaciones biomédicas, como la nanomecánica de tejidos blandos como la piel, esmaltes y huesos para probar su arquitectura tridimensional hasta una resolución espacial a nanoescala.
"Una variación significativa en las nanoestructuras celulares y la mecánica puede estar directamente influenciada por las condiciones cancerosas de una célula", dijo Dravid. "Por lo tanto, la Bioprobe de ultrasonido también podría ampliar nuestra comprensión fundamental de la nanomecánica en juego dentro de las células cancerosas".
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Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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