声波可以监测活细胞的僵硬度

麻省理工学院的工程师设计了一种新的，非侵入性的方法，用声波测量活细胞的刚度。他们的技术允许他们监测几代中的单个细胞，并研究当细胞经历细胞分裂周期时硬度如何变化。

研究人员表示，这种方法也可用于研究其他生物现象，如程序性细胞死亡或转移。

“无孔监测单细胞机械特性可能对研究许多不同类型的细胞过程很有用，”麻省理工学院科学研究所生物工程和机械工程系的安德鲁和埃尔娜维特比教授斯科特马纳利斯说。综合癌症研究，该研究的资深作者。

研究人员表示，它还可用于分析患者的肿瘤细胞对某些药物的反应，可能有助于医生为个体患者选择最佳药物。

麻省理工学院研究生Joon Ho Kang是该论文的第一作者，该论文发表在2月11日出版的“自然方法”杂志上。其他作者包括博士后Teemu Miettinen和Georgios Katsikis，研究生Lynna Chen，访问学者Selim Olcum和化学工程教授Patrick Doyle。

独特的测量

新的测量技术利用Manalis实验室之前开发的一种技术来测量细胞的质量。这种被称为悬浮微通道谐振器(SMR)的装置可以测量细胞的质量，因为它们流过一个在真空腔内振动的微小的充满液体的悬臂。当细胞流过通道时，它们的质量会略微改变悬臂的振动频率，并且可以根据频率的变化来计算细胞的质量。

在这项新研究中，研究人员发现它们还可以测量细胞僵硬度的变化 - 特别是一种称为皮层的细胞结构，位于细胞膜下方。皮层有助于确定细胞的形状，主要由肌动蛋白丝组成。这些细丝的收缩和松弛经常发生在诸如细胞分裂，转移和程序性细胞死亡的过程中，导致皮质硬度的变化。

在过去的几年里，Manalis和他的学生意识到悬臂的振动也产生了一种声波，可以用来测量流过设备的颗粒或细胞的刚度。当粒子流过通道时，它会与声波相互作用，从而改变整体能量平衡。这改变了悬臂的振动，其量根据细胞或颗粒的刚度而变化。这允许研究人员通过测量振动的变化来计算细胞的刚度。

研究人员证实，他们的技术是准确的，通过测量在Doyle实验室中创建的已知刚度的水凝胶颗粒，并在它们流过设备时进行测量。

用于产生这些测量的声波仅使电池干扰约15纳米，远小于大多数现有技术用于测量机械特性所产生的位移。

细胞分裂

麻省理工学院的研究小组表明，当它们在SMR设备中来回流动时，他们可以使用这种技术反复测量单个细胞的刚度超过20小时。在此期间，他们能够通过两个或更多细胞分裂周期监测僵硬。他们发现，随着细胞进入有丝分裂，僵硬度降低，研究人员认为这是由于细胞准备分裂时发生的肿胀。通过对细胞进行成像，他们证实细胞皮质随着细胞膨胀而变薄。

研究人员还发现，细胞刚度在分裂前就会动态变化。肌动蛋白在赤道区域积聚，使细胞更硬，而极性区域随着肌动蛋白暂时耗尽而变得更加放松。

“我们可以用我们的测量刚度的方式，以无标签，无创的方式观察肌动蛋白的动力学，”Kang说。

研究人员计划开始使用这种技术来测量更小颗粒(如病毒)的刚度，并探讨该测量是否与病毒的感染性相关。

“现有方法无法测量具有有意义吞吐量的亚微米颗粒的刚度，”Manalis说。这种能力可以帮助正在开发可以作为可能的疫苗进行测试的弱化病毒的研究人员。这种测量也可以用来帮助表征微小颗粒，如那些用于药物递送。

另一个可能的应用是将刚度测量与Manalis实验室开发的质量和生长速率测量相结合，作为个体癌症患者对特定药物的反应的可能预测因子。

“当谈到精密医学的分析时，从同一细胞中测量多种功能特性可能有助于使测试更具预测性，”Manalis说。

该研究由国家癌症研究所(NCI)的科赫研究所支持资助，路德维希分子肿瘤学中心，NCI癌症系统生物学联合会和美国陆军研究办公室的协作生物技术研究所资助。