Pela primeira vez, os cientistas mediram o quanto as células individuais crescem em tempo real. Isso pode parecer simples, mas na verdade é um feito técnico assustador. É como medir o peso de um minúsculo grão de areia sob um microscópio eletrônico, à medida que a água microscópica evapora ao seu redor, enquanto a própria areia sofre constantemente uma mudança sutil na composição química. Para efeito de comparação, esses experimentos são semelhantes a medir o crescimento de um bebê humano com uma balança de precisão sensível o suficiente para detectar um único grão de areia durante uma gestação de 9 meses. E, no entanto, isto tem implicações profundas para a nossa compreensão da saúde humana, porque estas medições mostram como as células utilizam a energia e respondem ao seu ambiente.

“Isso nos permitirá estudar todos os tipos de processos biológicos fundamentais em função do tamanho das células”, diz Daniel Needleman, físico e bioengenheiro da Universidade da Califórnia, Berkeley, e colíder da equipe de pesquisa. “Agora que temos a capacidade de fazer estas medições, podemos realmente perguntar:quão variável é o crescimento de uma célula? Quão sensível é às perturbações? Como o crescimento depende dos nutrientes ou do ambiente em que a célula se encontra? O que acontece com o crescimento quando as células se tornam cancerosas e param de responder aos sinais normais de crescimento?”

“Este é realmente um marco técnico no campo da biologia unicelular”, acrescenta Nevan Krogan, biólogo quantitativo da Universidade da Califórnia, São Francisco (UCSF) e colíder da equipe de pesquisa. “Será transformador para toda a comunidade, abrindo novas possibilidades para o estudo da biologia fundamental e dos mecanismos das doenças no nível unicelular.”

Needleman e Krogan são co-autores seniores de um estudo que descreve a plataforma e seus resultados iniciais, publicado hoje (12 de maio de 2022) na revista Cell. Embora alguns grupos já tenham medido a massa de populações de células antes, este grupo desenvolveu a primeira plataforma para pesar células individuais em tempo real à medida que crescem.

Eles descobriram que a taxa de crescimento de uma célula individual é constante; isto é, sua massa aumenta constantemente ao longo do tempo. Curiosamente, isto significa que a taxa metabólica de uma célula por unidade de massa diminui à medida que ela cresce. Em outras palavras, uma célula menor é mais eficiente na conversão de energia do seu ambiente em crescimento do que uma célula maior. Além disso, os investigadores mostraram que os seus métodos poderiam ser usados ​​para medir a eficiência com que as células absorvem e convertem nutrientes externos em crescimento.

“Como biólogo quantitativo, tornei-me apaixonado pela utilização de abordagens quantitativas precisas para estudar problemas que eram, até recentemente, demasiado desafiantes ou impossíveis de medir. Para dar uma contribuição, é preciso construir essas novas ferramentas de medição”, diz Krogan. “Esse esforço exigiu que desenvolvêssemos novas abordagens experimentais e computacionais e reuníssemos cientistas com diferentes formações. Não teria sido possível se tivéssemos trabalhado isoladamente.”

Pesando o que não pode ser pesado

A nova plataforma – chamada de pesagem microfluídica – combina microfluídica, que permite a manipulação precisa de fluidos na escala submilimétrica, com imagem quantitativa de fase, uma técnica de microscopia relativamente nova que mede diretamente a massa de um objeto com base no quanto ele desvia a luz.

“O primeiro desafio técnico é simplesmente manipular e capturar células”, explica Daniel Fletcher, bioengenheiro da UC Berkeley e coautor do estudo, cujo laboratório desenvolveu a plataforma microfluídica. “Você não quer centenas de milhares de células rodando em seu sistema, porque então você não sabe qual célula está medindo. Mas você também não quer medir uma célula de cada vez, porque isso levaria muito tempo. Então, prendemos dezenas ou centenas de células de cada vez e fluímos mídia sobre elas para que obtenham os nutrientes de que precisam para sobreviver, mas elas permanecem presas ali. Então, a equipe de imagem entrou em ação para otimizar e implementar imagens de fase quantitativa.”


Para obter imagens quantitativas de fase, os pesquisadores direcionaram um feixe de luz através de um microcanal para as células, capturando uma imagem da luz conforme ela emergia do outro lado. Se não houvesse célula no canal, a frente de onda da luz não seria perturbada. Mas quando uma célula está presente, a luz se curva, alterando ligeiramente a frente de onda. Esta mudança na frente de onda pode ser convertida computacionalmente diretamente na massa da célula.

“Ao medir a mudança de fase da luz à medida que ela passa através de uma célula, inferimos o índice local de refração do material, que está diretamente relacionado à densidade da célula”, explica o coautor do estudo Aydogan Ozcan, professor de engenharia elétrica. e ciência da computação e diretor do Laboratório de Óptica Integrada da UCLA. “Como conhecemos a composição química da célula e a densidade dos seus componentes, isso nos permite determinar com precisão a massa da célula.”

“Essas medições são realmente sensíveis”, diz Needleman. “Podemos medir mudanças na massa de uma única célula correspondendo a menos de 1.000 moléculas de água adicionadas à célula.”

À medida que as células na câmara microfluídica absorviam nutrientes do ambiente, elas se expandiam e cresciam em massa, como esperado.

“Mas notamos que a taxa de crescimento não mudou à medida que as células ficaram maiores”, diz Needleman. “Isso significa que o motor metabólico dentro de uma célula pequena é, na verdade, mais eficiente na conversão de energia em crescimento do que o motor de uma célula maior.”

A equipe espera que outros cientistas adotem e refinem ainda mais sua tecnologia para estudar o crescimento de muitos tipos diferentes de células sob diversas condições e ambientes, incluindo doenças.