A rigidez ou elasticidade de uma célula pode revelar muito sobre se a célula está saudável ou doente. Células cancerosas, por exemplo, são conhecidos por serem mais suaves do que o normal, enquanto as células afetadas pela asma podem ser bastante rígidas.

Determinar as propriedades mecânicas das células pode, portanto, ajudar os médicos a diagnosticar e monitorar a progressão de certas doenças. Os métodos atuais para fazer isso envolvem sondar células diretamente com instrumentos caros, como microscópios de força atômica e pinças ópticas, que tornam direto, contato invasivo com as células.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram uma maneira de avaliar as propriedades mecânicas de uma célula simplesmente por observação. Os pesquisadores usam microscopia confocal padrão para zerar a constante, movimentos oscilantes das partículas de uma célula - movimentos reveladores que podem ser usados ​​para decifrar a rigidez de uma célula. Ao contrário das pinças ópticas, a técnica da equipe não é invasiva, correndo pouco risco de alterar ou danificar uma célula ao sondar seu conteúdo.

“São várias doenças, como certos tipos de câncer e asma, onde a rigidez da célula é conhecida por estar ligada ao fenótipo da doença, "diz Ming Guo, o Brit e Alex d'Arbeloff Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Essa técnica realmente abre uma porta para que um médico ou biólogo, se eles gostariam de saber a propriedade material da célula de uma forma muito rápida, forma não invasiva, agora pode fazer isso. "

Guo e o estudante de graduação Satish Kumar Gupta publicaram seus resultados no Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Mexendo colheres

Em sua tese de doutorado de 1905, Albert Einstein derivou uma fórmula, conhecida como a equação de Stokes-Einstein, isso torna possível calcular as propriedades mecânicas de um material, observando e medindo o movimento das partículas nesse material. Só há um problema:o material deve estar "em equilíbrio, "significando que qualquer movimento das partículas deve ser devido ao efeito da temperatura do material e não a quaisquer forças externas agindo sobre as partículas.

"Você pode pensar em equilíbrio como uma xícara de café quente, "Diz Guo." Só a temperatura do café pode fazer o açúcar se dispersar. Agora, se você mexer o café com uma colher, o açúcar se dissolve mais rápido, mas o sistema não é mais movido apenas pela temperatura e não está mais em equilíbrio. Você está mudando o ambiente, colocar energia e fazer com que a reação aconteça mais rápido. "

Dentro de uma célula, organelas como mitocôndrias e lisossomos estão constantemente balançando em resposta à temperatura da célula. Contudo, Guo diz, também há "muitas minispoons" agitando o citoplasma circundante, na forma de proteínas e moléculas que, de vez em quando, empurre ativamente organelas vibratórias como bolas de bilhar.

O borrão constante de atividade em uma célula tornou difícil para os cientistas discernirem, simplesmente olhando, quais movimentos são devidos à temperatura e quais são devidos a mais ativos, processos "semelhantes a colheres". Esta limitação, Guo diz, "basicamente fechou a porta ao uso da equação de Einstein e da observação pura para medir as propriedades mecânicas de uma célula".

Quadro por quadro

Guo e Gupta presumiram que poderia haver uma maneira de provocar os movimentos impulsionados pela temperatura em uma célula, olhando para a célula em um período de tempo muito estreito. Eles perceberam que as partículas energizadas apenas pela temperatura exibem um movimento constante de agitação. Não importa quando você olha para uma partícula controlada pela temperatura, ele deve estar se movendo.

Em contraste, processos ativos que podem bater uma partícula em torno do citoplasma de uma célula o fazem apenas ocasionalmente. Vendo tais movimentos ativos, eles hipotetizaram, exigiria olhar para uma célula por um período de tempo mais longo.

Para testar sua hipótese, os pesquisadores realizaram experimentos em células de melanoma humano, uma linha de células cancerosas que escolheram por sua capacidade de crescer com facilidade e rapidez. Eles injetaram pequenas partículas de polímero em cada célula, em seguida, rastreou seus movimentos em um microscópio confocal fluorescente padrão. Eles também variaram a rigidez das células, introduzindo sal na solução celular - um processo que retira água das células, tornando-os mais comprimidos e rígidos.

Os pesquisadores gravaram vídeos das células em diferentes taxas de quadros e observaram como os movimentos das partículas mudavam com a rigidez da célula. Quando eles assistiram as células em frequências superiores a 10 quadros por segundo, eles observaram principalmente partículas balançando no lugar; essas vibrações pareciam ser causadas apenas pela temperatura. Apenas em taxas de quadros mais lentas eles identificaram mais ativos, movimentos aleatórios, com partículas disparando em distâncias maiores dentro do citoplasma.

Para cada vídeo, eles rastrearam o caminho de uma partícula e aplicaram um algoritmo que desenvolveram para calcular a distância média de viagem da partícula. Eles então conectaram esse valor de movimento em um formato generalizado da equação de Stokes-Einstein.

Guo e Gupta compararam seus cálculos de rigidez com as medidas reais que fizeram com pinças ópticas. Seus cálculos coincidiram com as medições apenas quando eles usaram o movimento de partículas capturadas em frequências de 10 quadros por segundo ou mais. Guo diz que isso sugere que os movimentos das partículas que ocorrem em altas frequências são de fato conduzidos pela temperatura.

Os resultados da equipe sugerem que, se os pesquisadores observarem as células em taxas de quadros rápidas o suficiente, eles podem isolar os movimentos das partículas que são puramente impulsionados pela temperatura, e determinar seu deslocamento médio - um valor que pode ser conectado diretamente à equação de Einstein para calcular a rigidez de uma célula.

"Agora, se as pessoas quiserem medir as propriedades mecânicas das células, eles podem apenas assisti-los, "Guo diz.

A equipe agora está trabalhando com médicos do Hospital Geral de Massachusetts, que esperam usar o novo, técnica não invasiva para estudar células envolvidas no câncer, asma, e outras condições nas quais as propriedades das células mudam à medida que a doença progride.

"As pessoas têm uma ideia de que a estrutura muda, mas os médicos querem usar este método para demonstrar se há uma mudança, e se podemos usar isso para diagnosticar essas condições, "Guo diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.