Dans une étude récente publiée dans la revue Sciences robotiquesune équipe de chercheurs a créé une petite sonde magnétique capable de déterminer la rigidité et la force de traction des colonies de cellules cancéreuses et des embryons de vertébrés en développement.
Le professeur Ning Wang, devant à droite, est rejoint de gauche à droite par les chercheurs Fazal Rashid, Kshitij Amar et Parth Bhalla. Crédit image : Fred Zwicky
Contexte
Un nombre croissant de preuves indique que les deux paramètres mécaniques fondamentaux dans le fonctionnement des cellules et des tissus et leur rôle dans le développement, la physiologie et un large éventail de maladies sont les forces de traction ou les forces contractiles générées par les cellules et la rigidité. Cependant, les forces de traction dépendantes de l’actomyosine sont plus fortes dans l’épithélium monocouche, alors que la rigidité est dominante dans l’épithélium multicouche.
Quantifier à la fois la rigidité et les forces de traction 3D dans le même emplacement de tissu biologique s’est avéré difficile en raison de la nature de la sonde nécessaire pour mesurer chacun de ces paramètres. La mesure des forces de traction nécessite une sonde souple, car la déformation de la sonde indique la force de traction. La dureté est mesurée à l’aide d’une sonde de dureté qui peut appliquer une pression ou une force de couple pour déformer l’échantillon. Alors que divers capteurs ont été développés pour déterminer la rigidité et les forces de traction 3D, la détermination des deux paramètres in vivo L’utilisation de la même sonde reste un défi.
sur les études
Dans cette étude, les chercheurs ont développé une sonde microscopique contrôlée magnétiquement et télécommandée composée de micro-jonctions magnétiques de cobalt et de platine biocompatibles. Chaque microcristal a été intégré dans un microgel rigide de poly (éthylène glycol) (PEG) avec un conjugué arginine-glycine-acide aspartique.
Le microgel dur intégré peut être tourné à l’aide d’un champ magnétique oscillant et utilisé pour mesurer la dureté. Les forces de traction 3D ont ensuite été mesurées en exposant le microgel PEG avec les nanoparticules fluorescentes intégrées à la lumière ultraviolette pour photodégrader et ramollir la sonde.
La sonde a été utilisée pour déterminer la rigidité et les forces de traction 3D de colonies cellulaires de cellules reconstituantes de tumeurs malignes isolées à partir de lignées cellulaires de mélanome murin cultivées sur une matrice de gel de fibrine. Une fois la rigidité de la colonie de cellules tumorales mesurée, le gel PEG a été dilué en exposant le micro-robot à la lumière UV et en déterminant la déformation du gel par les cellules tumorales environnantes.
De plus, les sondes microrobot ont également été utilisées pour mesurer les forces de traction 3D et la rigidité des embryons de poisson zèbre et de souris.
résultats
Les résultats montrent qu’en fonction de l’élasticité du substrat 3D, le module ou la rigidité des colonies de cellules tumorales malignes change, mais pas les forces de traction 3D. De plus, l’analyse simultanée de la rigidité 3D et des forces de traction au même site d’une colonie cellulaire ne montre aucune corrélation.
La quantification des forces de rigidité et de traction dans les embryons de poisson zèbre a révélé de grandes oscillations des forces de traction au cours du développement embryonnaire, avec des forces de cisaillement et de traction normales d’amplitudes similaires. En revanche, les embryons de rat ont également indiqué des oscillations des forces de traction au cours du développement, mais les forces de traction normales étaient supérieures aux forces de traction de cisaillement. Au stade du blastocyste, les embryons de souris ont généré des oscillations plus importantes dans les forces de traction de compression et de traction que dans les forces de traction de cisaillement.
Par rapport aux méthodes précédentes utilisant des sondes magnétiques où les propriétés dynamiques des échantillons biologiques ne pouvaient pas être mesurées, les chercheurs ont rapporté que la sonde micro-magnétique pouvait déterminer diverses propriétés rhéologiques, notamment le module de perte et le module de stockage. De plus, la méthode de recuit de la sonde microrobot utilisant la lumière ultraviolette permet de déterminer une gamme de forces de cisaillement 3D et de traction normale pour les échantillons biologiques.
Le changement potentiel des forces de traction mesurées en raison de la microcroix magnétique elle-même a été examiné, et les résultats ont indiqué que la microcroix avait peu d’effet sur les forces de traction 3D. De plus, les forces de cisaillement et de traction normales n’ont pas changé avec le ramollissement ou le gonflement des microgels dû à l’exposition aux UV. De plus, l’orientation et l’emplacement de la microcroix dans le microgel PEG par rapport au champ magnétique n’affectent pas les mesures de rigidité. De plus, la microcroix métallique n’interfère pas avec le ramollissement du microgel PEG lorsqu’il est exposé à la lumière UV
conclusion
Pour résumer, dans cette étude, les chercheurs ont développé un robot magnétique télécommandé pour déterminer les forces de traction 3D et la rigidité des colonies de cellules. in vivo À la fois. Le minuscule robot a été testé sur des cultures cellulaires de colonies de cellules tumorales malignes, ainsi que sur des embryons de poisson zèbre et de souris. Les résultats ont indiqué que le microrobot était capable de mesurer avec succès la rigidité et les forces de traction des colonies de cellules in vivo et que les forces de traction jouent un rôle majeur dans la régulation du développement embryonnaire précoce. Cette petite sonde robotisée permet d’étudier l’organisation mécanique des embryons et des cultures cellulaires.
Référence de la revue :
- Mohagheghian, E., Luo, J., Yavitt, FM, Wei, F., Bhala, P., Amar, K., Rashid, F., Wang, Y., Liu, X., Ji, C., Chen J., Arnold DP, Liu Z., Anseth KS et Wang N. (2023). Mesurer la rigidité et la vigueur des colonies tumorales et des embryons à l’aide d’un robot magnétique. Sciences robotiques8 (74). https://doi.org/10.1126/scirobotics.adc9800Et https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adc9800