Vibrerende celler avslører plagene sine

Forskere ved MIT, som bygger bro mellom fysikk, ingeniørvitenskap og mikrobiologi, har målt frekvensen som røde blodlegemer vibrerer med og har vist at disse frekvensene gjenspeiler cellenes helse. Forskningen kan føre til bedre medisinsk diagnostikk.





Levende celler: MITs Michael Feld og Subra Suresh, ved hjelp av en teknikk utviklet i Felds laboratorium, var i stand til å avbilde vibrasjonene i membranen til en blodcelle infisert med malariaparasitten (øverst). Felds teknikk ga også bilder av det indre av cellene (nederst), slik at forskerne kunne korrelere cellenes vibrasjonsfrekvenser med utviklingen av sykdommen.

Arbeidet ble utført i samarbeid mellom MIT-fysiker Michael Field og Subra Suresh , dekan ved MITs ingeniørskole og materialviter. Feld leder MITs Laser Biomedical Research Center, som har utviklet en bildeteknikk som kan lage tredimensjonale bilder av levende celler. Sureshs laboratorium har utført eksperimenter for å måle ting som stivheten til røde blodceller infisert av malariaparasitter.

En rød blodcelle har elektrisk, kjemisk og biologisk aktivitet som foregår inne i seg, noe som forårsaker nanoskala vibrasjoner på overflaten. For å måle cellenes vibrasjonsfrekvenser kombinerte forskerne Felds avbildningsteknikk med diffraksjonsfasemikroskopi, der en laserstråle som passerer gjennom en celle går sammen med en referansestråle som ikke gjør det, og skaper et særegent interferensmønster. For å etablere sammenhengen mellom cellenes vibrasjon og deres helse, brukte forskerne Felds teknikk for å lage tredimensjonale bilder av en malariaparasitt inne i en rød blodcelle. De målte også nivåene av hemoglobin inne i cellene under ulike stadier av en malariainfeksjon.



Denne tingen har aldri blitt gjort før, sier Ares Rosakis , professor i luftfart og maskinteknikk ved California Institute of Technology. Å nedskalere optiske teknikker til nivået [nanoskala] er ekstremt utfordrende. (Rosakis var ikke involvert i arbeidet, selv om en av hans tidligere doktorgradsstudenter var det.)

Rosakis ser to bruksområder for de nye teknikkene. Den ene er å forbedre datamodeller av celler, fordi Feld og Suresh sine målinger er så mye mer nøyaktige enn tidligere målinger. Den andre er bedre diagnostikk. U.S. Centers for Disease Control (CDC) bemerker at hovedtesten for malaria for tiden virker ikke ved akutt malaria : det kan gjenkjenne sykdommen først i ettertid. Til slutt kan en teknikk som Feld og Sureshs gi en måte å oppdage malaria mens det skjer. Tenk på fremtiden til en lege eller til og med en utrent tekniker som har [teknologien] bygget inne i et kommersielt mikroskop og ... øyeblikkelig får en avlesning på tilstanden til sykdommen, sier Rosakis.

Suresh bemerker at det var sjeldent at mekaniske ingeniører jobbet med cellebiologi, og enda sjeldnere å gjøre det med fysikere. Men han og Feld trenger ikke forlate bygningen for å samarbeide, sier han.

De to begynte å jobbe sammen for rundt to og et halvt år siden, etter at Feld inviterte Suresh til å holde en tale om arbeidet hans laboratorie utførte med malariaceller. Etter Sureshs samtale bestemte de to seg for å kombinere krefter – og instrumenter – for å måle hastigheten som friske og syke røde blodlegemer vibrerer med.

De valgte malariaceller på grunn av Sureshs erfaring med å jobbe med dem, men det betydde at Felds laboratorium måtte ombygges for å oppfylle CDCs nivå 2 biosikkerhetsstandarder. Dette prosjektet ble ledet av en av forskerne på Sureshs team, Monica Diez-Silva, den eneste mikrobiologen i begge gruppene.

Det tar 48 timer for en malaria-inntrenger å løpe gjennom sin livssyklus, utvikle seg, reprodusere og bli utstøtt fra cellen. Forskerne måtte derfor evaluere infiserte celler fra hvert trinn i den 48-timers prosessen, ved temperaturer som simulerte feberen og avkjølingen som menneskekroppen opplever under en malariainfeksjon.

Vibrerende cellemembraner beveger seg bare nanometer om gangen, og disse bevegelsene finner sted i mikrosekunder – milliondeler av et sekund. For å fange dataene fra laserstrålen som passerer gjennom cellene, brukte forskerne Felds bildeteknikk, som syr sammen flere bilder til en kompositt. Teknikken er en art av tomografi, prinsippet som ligger til grunn for computertomografi (CT) skanninger.

Rosakis sier at avbildning med interferensmønstre er spesielt utfordrende når man ser på røde blodlegemer, som er smultringformede og flytende, som stadig endrer form i alle retninger.

Suresh og Felds første sett med eksperimenter tok nesten åtte måneder, inkludert uker og uker for å sette sammen 3D-bildene av parasittene inne i cellene. Så bestemte de seg for å se på hemoglobinnivået, noe som også tok måneder. De brukte nesten seks måneder på å skrive opp resultatene, som vil bli publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences denne uka.

Suresh sier at forskningen bør gjelde alle andre typer levende celler. Han og Feld ønsker å se på røde blodceller med sigdanemi, og muligens kreftceller, selv om det vil være vanskeligere å studere celler som har en kjerne.

Sureshs og Felds teknikker kan ennå ikke brukes til å diagnostisere sykdommer, men Suresh sier at arbeidet deres legger det vitenskapelige grunnlaget for at du kan måle sykdom på cellenivå.

gjemme seg