Tế bào rung chuyển. Tương tự như cách mà các nhà địa chấn học sử dụng rung động của hành tinh Trái đất để mô tả cấu trúc sâu bên trong của nó, các nhà khoa học đã phát hiện ra một cách sử dụng rung động bên trong tế bào để xác định các đặc tính cơ học của chúng. Do đó, đã sinh ra lĩnh vực địa chấn học tế bào.
"Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật độc đáo để lập bản đồ, trên quy mô mili giây, độ đàn hồi của các thành phần bên trong tế bào", Guy Cloutier, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Bệnh viện Đại học Montreal (CRCHUM) và giáo sư tại Đại học Montréal."Điều này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới trong sinh học cơ học để nghiên cứu động lực của sự dịch chuyển bên trong tế bào và hiểu tác động của những lực này đối với bệnh tật và phương pháp điều trị."
Công nghệ, được gọi là "kỹ thuật đàn hồi động đất", được trình bày trong một bài báo được xuất bản ngày hôm nay trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).
Tính đàn hồi là đặc tính cơ bản của tế bào, liên quan đến giải phẫu, chức năng và trạng thái bệnh lý của tế bào và mô. Một khối u ung thư trở nên cứng nhắc. Xơ vữa động mạch và chứng phình động mạch bắt đầu bằng sự mất tính đàn hồi của các tế bào và động mạch. Tế bào nội mô giải phóng chất dẫn truyền gây co mạch hoặc giãn mạch máu, tùy thuộc vào điều kiện cắt cơ học liên quan đến lưu lượng và hình dạng mạch.
"Cho đến nay, rất khó để đo lường những thay đổi cơ học liên tục xảy ra trong tế bào", Pol Grasland-Mongrain, một thực tập sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Guy Cloutier và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích."Với các kỹ thuật hiện tại, dựa trên sự biến dạng của tế bào, kính hiển vi lực nguyên tử và sự tán xạ Brillouin, có thể mất vài chục phút để đo độ đàn hồi. Đối với một số ứng dụng, điều này là quá chậm vì hàng nghìn sự kiện có thể xảy ra trong một tế bào, chẳng hạn như chuyển ion, kích thích tế bào thần kinh và sự chết của tế bào. Những hiện tượng này sẽ dễ theo dõi hơn nếu chúng ta có thể đo lường các đặc tính cơ học của tế bào rất nhanh."
Với thiết bị đơn giản bao gồm kính hiển vi tiêu chuẩn, microipet và máy ảnh tốc độ cao, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mang tính cách mạng để quan sát các chuyển vị và lực có trong tế bào trứng của chuột trong thời gian thực. Theo Greg FitzHarris, nhà nghiên cứu tại CRCHUM, giáo sư Đại học Montréal và là một trong những cộng tác viên của dự án, "với phương pháp hình ảnh tế bào mới này, chúng tôi sẽ có thể điều tra các cơ chế mới liên quan đến sự phân chia tế bào trong quá trình hình thành phôi."
"Ban đầu, chúng tôi không có ý tưởng về mức độ phân giải không gian mà chúng tôi có thể hy vọng, đó là điều đã cho chúng tôi ý tưởng sử dụng tế bào trứng của chuột," Guy Cloutier nói thêm."Những tế bào này lớn - có đường kính khoảng 80 micron - và do đó, dễ dàng quan sát hơn với kỹ thuật vi mô tế bào mới của chúng tôi. Trong các thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi có thể quan sát các rung động cơ học trong tế bào kéo dài dưới một phần nghìn giây, nhờ vào đã sử dụng máy ảnh, có thể chụp 200, 000 khung hình mỗi giây. " Để so sánh, một bộ phim thường chỉ có 25 khung hình / giây.
Với những hình ảnh được chụp, những rung động này có thể được đo bằng các thuật toán theo dõi độ dịch chuyển. Nhưng làm thế nào để có thể tái tạo bản đồ về độ đàn hồi nội bào từ những rung động này? Câu trả lời: Bằng cách sử dụng kỹ thuật tương quan tiếng ồn, một phương pháp được các nhà địa chấn học phát triển khi họ đo các rung động do động đất tạo ra để xác định thành phần của đá dưới lòng đất.
"Chúng tôi đã sử dụng nguyên tắc tương tự này để khám phá cấu trúc bên trong của tế bào từ quan điểm cơ học, áp dụng phương pháp đo đàn hồi sóng biến dạng ở quy mô micromet," Stefan Catheline, nhà vật lý tại Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) và nhà nghiên cứu tại Đại học Lyon ở Pháp."Một sóng được gửi vào tế bào với tốc độ tỷ lệ thuận với độ co giãn của các thành phần mà nó gặp nhau, chẳng hạn như tế bào chất, nhân hoặc các thành phần khác của tế bào. Tính đàn hồi được đo bằng cách đánh giá tốc độ của dao động trong thời gian và không gian."
Pol Grasland-Mongrain giải thích quá trình mà anh ấy đã trải qua để thực hiện các quan sát của mình: "Sử dụng thiết bị truyền động áp điện micropipette, chúng tôi đã tạo ra các rung động tần số cao (15.000 chu kỳ mỗi giây) vào tế bào trứng sống của chuột. Với những hình ảnh thu được bằng máy ảnh, chúng tôi đo độ rung bên trong tế bào, sử dụng thuật toán luồng quang học được phát triển ban đầu cho các ứng dụng siêu âm. Tiếp theo, thuật toán tương quan nhiễu cho phép chúng tôi lập bản đồ độ đàn hồi của toàn bộ tế bào. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi có thể cho thấy, trong số những điều khác, sự giảm đáng kể độ đàn hồi của tế bào trứng chuột xảy ra khi tế bào trứng được xử lý bằng cytochalasin, một chất được biết là có thể phá vỡ bộ xương tế bào của chúng."
Công nghệ lập bản đồ độ đàn hồi tế bào sáng tạo này mở ra cánh cửa cho nhiều ứng dụng thực tế trong sinh học và y học, cho dù là ung thư, nhiễm trùng do mầm bệnh, sẹo hoặc kỹ thuật mô. Guy Cloutier kết luận: “Bây giờ chúng tôi đã cho thấy tính khả thi của công nghệ, chúng tôi có thể tinh chỉnh phương pháp và phát triển sự hợp tác với các chuyên gia về sinh học tế bào và phân tử, sinh lý học và cơ học để khám phá tiềm năng đáng kinh ngạc của lĩnh vực nghiên cứu này.
