Microscópio de detecção quântica baseado em diamante oferece abordagem eficaz para quantificar forças celulares
Diagrama esquemático ilustrando o design do QDMTM. Esquerda:O princípio de funcionamento do microscópio quântico de diamante de campo amplo. A inserção mostra como as forças celulares exercidas podem ser quantificadas medindo os centros NV. À direita:o mecanismo exato de detecção de força. Antena MW, antena de microondas; OBJ, objetivo; DM, espelho dicróico. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi5300 As células dependem de constante interação e troca de informações com seu microambiente para garantir sua sobrevivência e desempenhar funções biológicas. Conseqüentemente, a quantificação precisa de pequenas forças de adesão celular, abrangendo desde piconewtons até alguns nanonewtons, é crucial para a compreensão dos meandros da modulação de força nas células.
Nas últimas décadas, vários métodos foram desenvolvidos com sucesso para medir as forças adesivas celulares. Atualmente, várias tecnologias líderes, como microscopia de força de tração (TFM), pinças ópticas/magnéticas e microscopia de fluorescência baseada em tensão molecular (MTFM), são amplamente utilizadas para medir forças celulares.
No entanto, estas técnicas têm limitações notáveis em termos de sensibilidade e interpretação de dados, o que impede a nossa capacidade de compreender de forma abrangente a mecanobiologia. Além disso, a técnica MTFM é dificultada pela natureza estocástica do fotobranqueamento com fluoróforo.
Portanto, é essencial desenvolver uma nova técnica que possa medir com precisão as forças adesivas celulares de maneira livre de rótulos fluorescentes. Isso é crucial para o avanço do campo da mecanobiologia.
Um projeto liderado pelo professor Zhiqin Chu, do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Hong Kong (HKU), e pelo professor Qiang Wei, da Universidade de Sichuan, aplicou tecnologia de detecção quântica sem rótulo para medir a força celular em nanoescala. Isto supera as limitações dos aparelhos de força celular tradicionais e oferece novos insights para o estudo da mecânica celular, incluindo a influência das forças de adesão celular na disseminação de células cancerígenas.
A equipe de pesquisa desenvolveu uma nova Microscopia de Tensão Molecular de Diamante Aprimorada por Quântica (QDMTM) que oferece uma abordagem eficaz para estudar as forças de adesão celular. Comparado aos métodos de medição de força celular que utilizam sondas fluorescentes, o QDMTM tem potencial para superar desafios como fotodegradação, sensibilidade limitada e ambiguidade na interpretação de dados. Além disso, os sensores QDMTM podem ser limpos e reutilizados, aumentando a precisão absoluta da comparação das forças de adesão celular em várias amostras.
O novo método muda fundamentalmente a forma de estudar questões importantes, como interações célula-célula ou célula-material, com implicações significativas para a biofísica e a engenharia biomédica. As descobertas foram publicadas em Science Advances , em um artigo intitulado "Microscopia de tensão molecular de diamante aprimorada por quantum para quantificar forças celulares".
A equipe de pesquisa desenvolveu o QDMTM combinando a extensão do polímero (atuando como transdutor de força) induzida por forças celulares com o tempo de relaxamento longitudinal do NV. As propriedades quânticas únicas dos spins centrais do elétron NV no diamante servem como base fundamental para a sensibilidade e precisão sem precedentes do QDMTM.
A singularidade desta inovação reside na utilização de um “transdutor de força” que é um polímero responsivo à força, capaz de converter sinais mecânicos em sinais magnéticos. Ao medir as alterações no tempo de relaxamento do spin NV causado pelo ruído magnético, as forças adesivas exercidas pelas células no "transdutor de força" podem ser determinadas. As técnicas de medição existentes são incapazes de medir com eficácia os sinais magnéticos estocásticos em nanoescala.
A técnica inovadora QDMTM oferece uma abordagem eficaz para estudar as forças de adesão celular. Através de seu estudo, os pesquisadores conseguiram diferenciar com sucesso células em vários estados de adesão e descobriram que a magnitude das forças celulares em diferentes regiões celulares estava alinhada com as descobertas anteriores.
Isto sugere que o método QDMTM é capaz de medir com precisão as forças de adesão celular. A próxima fase de sua pesquisa se concentra na expansão do sensor quântico de diamante em massa para partículas de diamante em nanoescala, o que permitirá a medição de forças celulares em qualquer direção.
