p Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de usar a microscopia de força atômica para medir rapidamente as propriedades mecânicas das células em escala nanométrica, um avanço que pode abrir caminho para uma melhor compreensão dos distúrbios imunológicos e do câncer. p Em sua função de pediatra, Manish Butte, MD, PhD, muitas vezes empurrará e cutucará o abdômen de um paciente, sensação de anormalidades - um baço inchado, um linfonodo endurecido ou uma protuberância incomum no intestino ou no fígado. Ainda existem algumas coisas que só podem ser coletadas pelo toque, e Butte acredita que essa noção se aplica a células individuais também.

p No entanto, a capacidade dos pesquisadores de sondar e medir as características das células vivas é quase inexistente. Recentemente, uma equipe de cientistas e engenheiros de Stanford começou a corrigir esse desequilíbrio com uma nova técnica para mapear células rapidamente. Eles tiveram sucesso criando um grande avanço em uma tecnologia conhecida como microscopia de força atômica, ou AFM, que foi inventado em Stanford em 1986.

p Um artigo descrevendo o trabalho foi publicado online em 11 de novembro em ACS Nano . Butte, um professor assistente de imunologia pediátrica, é o autor sênior. A autoria principal é compartilhada por Andrew Wang, PhD, um ex-bolsista de pós-doutorado no laboratório de Butte, e Karthik Vijayrhagavan, PhD, que era um estudante de graduação e membro do laboratório de microfotônica liderado por Olav Solgaard, PhD, professor de engenharia elétrica.

p "A sensação de uma célula - suas propriedades mecânicas que afetam como ela faz contato com outras células e tecidos - é muito mais importante do que sua aparência, mas a tecnologia simplesmente não estava lá para nos permitir examiná-la, "Butte disse." Há muito a ser aprendido estudando a mecânica de uma célula e suas estruturas logo abaixo da superfície. "

p A forma como Butte e seus colegas usam AFM para medir as propriedades mecânicas das células é semelhante à maneira como um construtor bate os nós dos dedos ao longo de uma parede de gesso, ouvindo a mudança de tom que dirá a ela que um pino de madeira está do outro lado. Quando uma sonda de AFM atinge a superfície de uma célula, vibra, e o padrão dessas vibrações, como as ondas sonoras refletidas no garanhão, fornece informações mecânicas sobre as estruturas da célula que está sendo tocada.

p Contudo, as sondas AFM existentes são relativamente grandes e, como resultado, insensível a altas frequências, que comunicam muitas das principais informações sobre as entranhas de uma célula. O dispositivo da equipe de Stanford acopla uma sonda muito pequena a uma tradicional. Este conjunto permite que o dispositivo detecte oscilações mais rápidas do que os dispositivos convencionais e, adequadamente, para fazer medições mais detalhadas e muito mais rápidas.

p "A principal diferença entre este e os microscópios de força atômica anteriores é que somos capazes de medir o impacto da sonda na célula muito rápido e obter leituras específicas, enquanto os AFMs típicos simplesmente fornecem uma média. Isso nos permite medir com precisão alguns materiais muito macios pela primeira vez, "disse Solgaard, que também é co-autor do artigo.

p As sondas atuais medem a rigidez celular batendo contra a célula cerca de uma ou duas vezes por segundo - o mais rápido que as sondas grandes podem fazer medições. A pequena sonda, Contudo, pode fazer medições detalhadas facilmente de 5 a 10, 000 toques por segundo devido à sua sensibilidade. Ele comparou o salto de sensibilidade à diferença entre dirigir um Cadillac Escalade pela estrada e empurrar um carrinho de brinquedo Hot Wheel ao longo da mesma superfície:"A pequena Hot Wheel sentirá cada pequeno solavanco muito mais do que o grande Cadillac."

p 'Bela solução'

p Os AFMs medem o movimento da sonda refletindo um laser em sua ponta. Conforme a ponta se move para cima e para baixo, o laser é refletido. A invenção de Stanford acopla a sonda pequena com a grande por meio de uma estrutura em forma de garfo chamada grade interferométrica. A grade produz um padrão de difração com base nos movimentos da pequena sonda, e permite que o AFM capture convenientemente suas medições.

p "Nossa dica realmente produz um segundo sinal, e é isso que nos permite obter muito mais detalhes. Do ponto de vista da engenharia, é extremamente simples, bela solução, "Solgaard disse, referindo-se aos sinais difratados da grade.

p Melhor de todos, o dispositivo da equipe pode ser conectado diretamente aos AFMs existentes, potencialmente economizando milhões de dólares em novos equipamentos que poderiam ser gastos em pesquisa. Um novo AFM pode custar até US $ 500, 000, de acordo com Solgaard.

p O objetivo é o equivalente celular de Butte pressionando o abdômen de uma criança.

p "Queremos estudar a rigidez celular para entender o que está sob a superfície e como as células são estruturadas, "Disse Wang.

p Como demonstração, a equipe mediu uma seção de um glóbulo vermelho, fazendo aproximadamente 4 milhões de medições totais em cerca de 10 minutos - tudo sem danificar o delicado exterior celular.

p "As mesmas medições teriam levado mais de um mês para serem concluídas usando microscópios de força atômica convencionais, "disse Vijayraghavan. A tecnologia é tão rápida que a equipe foi capaz de criar uma série de imagens de uma célula viva em lapso de tempo, cada um com apenas sete minutos de intervalo, um ritmo antes inimaginável.

p Aplicações potenciais

p As aplicações práticas do dispositivo variam desde a compreensão científica básica da estrutura celular até imunologia e oncologia. A compreensão científica das forças mecânicas em jogo nas células é tão deficiente que o campo - agora sendo chamado de mecanobiologia - está realmente em sua infância, de acordo com Butte.

p As forças mecânicas do corpo podem vir dos tecidos, que variam em rigidez da matéria cerebral mais mole aos ossos mais rígidos, da gravidade, e até mesmo pelos movimentos de empurrar e puxar de outras células. As células cancerosas tornam seu ambiente mecanicamente rígido, secretando substâncias químicas que enrijecem a matriz extracelular. As células cancerosas também interpretam as forças mecânicas de um tecido para tomar decisões sobre crescimento e metástase. Surpreendentes ciclos de feedback como esse também parecem ocorrer para células-tronco na medula óssea e durante o desenvolvimento embrionário. Como as células imunológicas interpretam as forças mecânicas ainda é totalmente desconhecido.

p "A fruta mais próxima é o câncer. Os cânceres costumam ser mais rígidos do que o normal, tecidos saudáveis ​​e podemos usar esse conhecimento para diagnosticar doenças. Mas primeiro, você tem que ter bons dados, que nosso dispositivo fornece, "Wang disse. Ele já usou uma forma inicial da nova sonda de Stanford no trabalho piloto em amostras de câncer de mama retiradas de mastectomias.

p Para a parte dele, Butte planeja usar AFM rápido para estudar o sistema imunológico. Ele espera explorar por que as células T que, de outra forma, lutam contra doenças costumam permanecer latentes uma vez dentro de um tumor. Ele teoriza que a rigidez mecânica do tecido tumoral pode estar impedindo as células T de fazer contato livre com as células cancerosas e de ativar suas funções de combate ao câncer. Em essência, o tumor pode estar muito lotado para que as células T funcionem. Do outro lado da gama de rigidez, ele acredita que as propriedades mecânicas suaves de tecidos cronicamente inflamados ou infectados provocam uma hiperatividade do sistema imunológico, como autoimunidade.

p É uma teoria que ninguém ainda explorou devido a barreiras técnicas, que o rápido AFM poderia superar. O laboratório de Butte iniciou um amplo esforço para vincular as forças mecânicas às respostas imunológicas no nível molecular, escalas celulares e teciduais. "Há tanto que não sabemos sobre as propriedades mecânicas de vários tipos de células e tecidos doentes. Quase nada, na verdade, "Butte disse." O primeiro passo é sondar. Agora, nós podemos fazer isso."