Vibrerende celler afslører deres lidelser

Forskere ved MIT, der bygger bro mellem fysik, teknik og mikrobiologi, har målt frekvensen, hvormed røde blodlegemer vibrerer, og har vist, at disse frekvenser afspejler cellernes sundhed. Forskningen kan føre til bedre medicinsk diagnostik.





Levende celler: MITs Michael Feld og Subra Suresh var ved hjælp af en teknik udviklet i Felds laboratorium i stand til at afbilde vibrationerne i membranen af ​​en blodcelle inficeret med malariaparasitten (øverst). Felds teknik gav også billeder af det indre af cellerne (nederst), hvilket gjorde det muligt for forskerne at korrelere cellernes vibrationsfrekvenser med sygdommens fremskridt.

Arbejdet blev udført i samarbejde mellem MIT fysiker Michael Field og Subra Suresh , dekan for MITs ingeniørskole og materialeforsker. Feld leder MIT's Laser Biomedical Research Center, som har udviklet en billedbehandlingsteknik, der kan skabe tredimensionelle billeder af levende celler. Sureshs laboratorium har udført eksperimenter for at måle ting som stivheden af ​​røde blodlegemer inficeret af malariaparasitter.

En rød blodcelle har elektrisk, kemisk og biologisk aktivitet, der finder sted inde i den, hvilket forårsager nanoskala vibrationer på overfladen. For at måle cellernes vibrationsfrekvenser kombinerede forskerne Felds billedbehandlingsteknik med diffraktionsfasemikroskopi, hvor en laserstråle, der passerer gennem en celle, genforener en referencestråle, der ikke gør det, hvilket skaber et karakteristisk interferensmønster. For at etablere sammenhængen mellem cellernes vibration og deres helbred brugte forskerne Felds teknik til at skabe tredimensionelle billeder af en malariaparasit inde i en rød blodcelle. De målte også niveauerne af hæmoglobin inde i cellerne under forskellige stadier af en malariainfektion.



Denne ting er aldrig blevet gjort før, siger Ares Rosakis , professor i luftfart og maskinteknik ved California Institute of Technology. At nedskalere optiske teknikker til niveauet [nanoskala] er ekstremt udfordrende. (Rosakis var ikke involveret i arbejdet, selvom en af ​​hans tidligere kandidatstuderende var det.)

Rosakis ser to anvendelsesmuligheder for de nye teknikker. Den ene er at forbedre computermodeller af celler, fordi Feld og Sureshs målinger er så meget mere nøjagtige end tidligere målinger. Den anden er bedre diagnostik. U.S. Centers for Disease Control (CDC) bemærker, at den vigtigste test for malaria pt virker ikke ved akut malaria : den kan først genkende sygdommen efter kendsgerningen. Til sidst kunne en teknik som Feld og Suresh's give en måde at opdage malaria, mens det sker. Tænk på fremtiden for en læge eller endda en utrænet tekniker, der har [teknologien] bygget inde i et kommercielt mikroskop og ... øjeblikkeligt får en aflæsning af sygdommens tilstand, siger Rosakis.

Suresh bemærker, at det var sjældent for mekaniske ingeniører at arbejde med cellebiologi, og sjældnere at gøre det med fysikere. Men han og Feld behøver ikke at forlade bygningen for at samarbejde, siger han.

De to begyndte at arbejde sammen for omkring to et halvt år siden, efter at Feld inviterede Suresh til at holde en tale om det arbejde, hans laboratorium udførte på malariaceller. Efter Sureshs snak besluttede de to at kombinere kræfter – og instrumenter – for at måle den hastighed, hvormed sunde og syge røde blodlegemer vibrerer.

De valgte malariaceller på grund af Sureshs erfaring med at arbejde med dem, men det betød, at Felds laboratorium skulle ombygges for at opfylde CDC's niveau 2 biosikkerhedsstandarder. Det projekt blev ledet af en af ​​forskerne på Sureshs hold, Monica Diez-Silva, den eneste mikrobiolog i begge grupper.

Det tager 48 timer for en malariaangriber at løbe gennem sin livscyklus, udvikle sig, reproducere og blive udstødt fra cellen. Forskerne var således nødt til at evaluere inficerede celler fra hvert trin i den 48-timers proces, ved temperaturer, der simulerede den feber og afkøling, som den menneskelige krop oplever under en malariainfektion.

Vibrerende cellemembraner bevæger sig blot nanometer ad gangen, og disse bevægelser finder sted på mikrosekunder - milliontedele af et sekund. For at fange dataene fra laserstrålen, der passerer gennem cellerne, brugte forskerne Felds billedbehandlingsteknik, som syr flere billeder sammen til en komposit. Teknikken er en art af tomografi, det princip, der ligger til grund for computertomografi (CT) scanninger.

Rosakis siger, at billeddannelse med interferensmønstre er særligt udfordrende, når man ser på røde blodlegemer, som er doughnut-formede og flydende, som konstant ændrer form i alle retninger.

Suresh og Felds første sæt eksperimenter tog næsten otte måneder, inklusive uger og uger at samle 3-D-billederne af parasitterne inde i cellerne. Så besluttede de at se på hæmoglobinniveauet, hvilket også tog måneder. De brugte næsten seks måneder på at skrive resultaterne op, som vil blive offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences denne uge.

Suresh siger, at forskningen bør gælde for enhver anden type levende celler. Han og Feld vil se på røde blodlegemer med seglanæmi og muligvis kræftceller, selvom det bliver sværere at studere celler, der har en kerne.

Sureshs og Felds teknikker kan endnu ikke bruges til at diagnosticere sygdomme, men Suresh siger, at deres arbejde danner det videnskabelige grundlag, at man kan måle sygdom på cellulært niveau.

skjule