科学家利用细胞内的振动来识别它们的机械特性

蒙特利尔大学的科学家开发出一种独特的技术，可以在毫秒级内绘制细胞内组分的弹性。细胞震动。在某种程度上，地震学家利用地球的振动来表征其深层结构，科学家们已经发现了一种利用细胞内的振动来识别其机械特性的方法。因而诞生了细胞地震学领域。

“我们开发了一种独特的技术，可以在几毫秒的范围内绘制细胞内组分的弹性，”蒙特利尔大学医院研究中心(CRCHUM)研究员，蒙特利尔大学教授Guy Cloutier说。“这开辟了一个全新的机械生物学研究领域，研究细胞内位移的动态，并了解这些力对疾病和治疗的影响。”

这项名为“细胞地震弹性成像”的技术发表在今天发表在“美国国家科学院院刊”(PNAS)上的一篇文章中。

弹性是细胞的基本特性，与细胞和组织的解剖学，功能和病理状态有关。癌性肿瘤变得僵硬。动脉粥样硬化和血管动脉瘤开始于细胞和动脉的弹性丧失。取决于与血管流动和几何形状相关的机械剪切条件，内皮细胞释放引起血管血管收缩或血管舒张的发射器。

“直到现在，很难测量细胞中不断发生的机械变化，”Guy Cloutier实验室的博士后实习生Pol Grasland-Mongrain解释说，该研究的主要作者。“根据现有技术，基于细胞变形，原子力显微镜和布里渊散射，测量弹性可能需要几十分钟。对于某些应用，这太慢了，因为细胞中可能发生数千个事件，如离子转移如果我们能够非常快速地测量细胞的机械特性，那么这些现象将更容易追踪。“，神经元刺激和细胞死亡。

凭借由标准显微镜，微量移液管和高速摄像机组成的简单设备，研究人员开发出一种革命性的方法，可实时观察小鼠卵母细胞中存在的位移和力。根据蒙特利尔大学CRCHUM研究员和项目合作者之一的研究员Greg FitzHarris的说法，“利用这种新的细胞成像方法，我们将能够研究胚胎形成过程中细胞分裂的新机制”。

“一开始，我们不知道我们希望的空间分辨率水平，这就是让我们使用鼠卵母细胞的想法，”Guy Cloutier补充道。“这些细胞很大 - 直径约80微米 - 因此使用我们新的微弹性技术更容易观察。在我们的实验中，我们能够观察到细胞中的机械振动持续不到千分之一秒，这要归功于使用相机，可以每秒捕捉200,000帧。“通过比较，电影通常每秒只有25帧。

捕获图像后，可以使用位移跟踪算法测量这些振动。但是如何从这些振动中重建细胞内弹性图呢?答案：通过使用噪声相关技术，地震学家在测量地震产生的振动以确定地下岩石成分时开发的方法。

“我们使用同样的原理从机械的角度探索细胞的内部结构，在微米尺度上应用剪切波弹性成像，”Stefan Catheline说，他是国家卫生研究所和物理学家的物理学家。 INSERM)和法国里昂大学的研究员。“波以与其遇到的组分的弹性成比例的速度被送入细胞，例如细胞质，细胞核或其他细胞成分。通过评估时间和空间振动的速度来测量弹性。”

Pol Grasland-Mongrain解释了他进行观察的过程：“使用微量移液管压电致动器，我们将高频振动(每秒15,000个周期)引入活体小鼠卵母细胞。通过相机捕获的图像，我们测量了使用最初为超声应用开发的光流算法，在细胞内部进行振动。接下来，噪声相关算法允许我们绘制整个细胞的弹性。因此，在这项研究中，我们能够显示，除其他外，当用细胞松弛素处理卵母细胞时，小鼠卵母细胞弹性显着降低，细胞松弛素是一种已知会破坏细胞骨架的物质。

这种创新的细胞弹性作图技术为生物学和医学的许多实际应用打开了大门，无论是癌症，病原体诱导的感染，瘢痕形成还是组织工程。“现在我们已经证明了这项技术的可行性，我们可以对这种方法进行微调，并与细胞和分子生物学，生理学和机械生物学专家展开合作，探索这一研究领域的巨大潜力，”Guy Cloutier总结道。