На данный момент исследователи разработали множество инструментов для изучения взаимодействия между клетками и их 3D-микроокружением. Одной из самых популярных технологий является тягово-силовая микроскопия (TFM). Это ведущий метод определения тяг на поверхности субстрата клетки, предоставляющий важную информацию о том, как клетки чувствуют, адаптируются и реагируют на силы. Однако применение TFM ограничено предоставлением информации о поступательном движении маркеров на клеточных субстратах. Информация о других степенях свободы, таких как вращательное движение, остается умозрительной из-за технических ограничений и ограниченных исследований по этой теме.

Инженеры-эксперты из Университета Гонконга предложили новую методику измерения поля силы тяги ячейки и устранения пробелов в исследованиях. Междисциплинарную исследовательскую группу возглавляли доктор Чжицинь Чу с кафедры электротехники и электроники и доктор Юань Линь с кафедры машиностроения. Они использовали одиночные азотно-вакансионные центры (NV) в наноалмазах (NDS), чтобы предложить метод линейной поляризационной модуляции (LPM), который может измерять как вращательное, так и поступательное движение маркеров на клеточных субстратах.

Исследование дает новый взгляд на измерение многомерного поля силы тяги ячейки, и результаты были опубликованы в журнале Нанобуквы. Исследование, озаглавленное "Полностью оптическая модуляция одиночных дефектов в наноалмазах: выявление вращательных и поступательных движений в полях силы тяги ячейки", также представлено в качестве дополнительной обложки журнала.

Исследование показало высокоточные измерения вращательного и поступательного движения маркеров на поверхности клеточного субстрата. Эти экспериментальные результаты подтверждают теоретические расчеты и предыдущие результаты.

Учитывая их сверхвысокую фотостабильность, хорошую биосовместимость и удобную химическую модификацию поверхности, флуоресцентные NDS с NV-центрами являются превосходными флуоресцентными маркерами для многих биологических применений. Исследователи обнаружили, что, основываясь на результатах измерения взаимосвязи между интенсивностью флуоресценции и ориентацией одного центра NV в направлении поляризации лазера, можно достичь высокоточных измерений ориентации и получения изображений без фона.

Таким образом, метод LPM, изобретенный командой, помогает решить технические узкие места в измерении клеточной силы в механобиологии, которая охватывает междисциплинарное сотрудничество из области биологии, инженерии, химии и физики.

"Большинство клеток многоклеточных организмов испытывают на себе силы, которые хорошо организованы в пространстве и времени. Разработка многомерной микроскопии силового поля тяги клеток была одной из самых больших задач в этой области", - сказал доктор Чу.

"По сравнению с обычным TFM, эта новая технология предоставляет нам новый и удобный инструмент для исследования реального 3D взаимодействия клетки и внеклеточного матрикса. Это помогает достичь измерения как вращательно-поступательного движения в поле клеточной тяги, так и раскрывает информацию о силе тяги клетки", - добавил он.

Главной изюминкой исследования является возможность с высокой точностью указывать как поступательное, так и вращательное движение маркеров. Это большой шаг к анализу механических взаимодействий на границе раздела клетка-матрица. Это также открывает новые возможности для исследований.

Благодаря специальным химическим веществам на поверхности клеток клетки взаимодействуют и соединяются в рамках процесса, называемого клеточной адгезией. Способ, которым клетка создает напряжение во время адгезии, был в первую очередь описан как "в самолете". Такие процессы, как тяговое напряжение, поток актина и рост адгезии, взаимосвязаны и демонстрируют сложную направленную динамику. Метод LPM может помочь разобраться в сложных моментах, связанных с фокальной адгезией, и разделить различные механические нагрузки на наноуровне (например, нормальные тяги, силы сдвига). Это также может помочь понять, как клеточная адгезия реагирует на различные типы стресса и как они опосредуют механотрансдукцию (механизм, посредством которого клетки преобразуют механический стимул в электрохимическую активность).

Эта технология также перспективна для изучения различных других биомеханических процессов, включая активацию иммунных клеток, формирование тканей, а также репликацию и инвазию раковых клеток. Например, рецепторы Т-клеток, которые играют центральную роль в иммунных реакциях на рак, могут генерировать чрезвычайно динамичные силы, жизненно важные для роста тканей. Эта высокоточная технология LPM может помочь проанализировать эту многомерную динамику силы и дать представление о развитии тканей.

Исследовательская группа активно исследует методологии для расширения возможностей оптической визуализации и одновременного отображения нескольких наноалмазов.

Эта статья, озаглавленная "Полностью оптическая модуляция одиночных дефектов в наноалмазах: выявление вращательных и поступательных движений в полях силы тяги ячейки", опубликована в журнале Нанобуквы и показан в качестве дополнительной обложки. Ссылка: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02232

Запросы средств массовой информации Г-жа Селия Ли, инженерный факультет HKU (тел.: 3917 8519; Электронная почта: leecelia@hku.hk ) или г-жа Чарис Лай, инженерный факультет HKU (тел.: 3917 1924; Электронная почта: chariskc@hku.hk )