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Une sonde magnétique de microrobot peut déterminer la rigidité et les forces de traction des colonies de cellules et des embryons in vivo

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Une sonde magnétique de microrobot peut déterminer la rigidité et les forces de traction des colonies de cellules et des embryons in vivo

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.

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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.

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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

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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 :

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Vie microbienne inexplorée dans les estuaires souterrains

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Vie microbienne inexplorée dans les estuaires souterrains
Les faits saillants de l'éditeur sont des résumés de recherches récentes rédigées par les éditeurs de la revue AGU.
source: Journal de recherche géophysique : Biogéosciences

Les estuaires souterrains (STE), où se mélangent les eaux souterraines terrestres et l’eau de mer, sont vitaux pour les écosystèmes côtiers océaniques. Il a été défini pour la première fois il y a 25 ans par Willard Moore (1999), ces régions ne sont pas bien étudiées, même si elles sont confrontées à des menaces croissantes en raison des futurs changements globaux.

Adesari et al. [2024] Il cherche à combler les lacunes des connaissances en mesurant les communautés microbiennes et leurs fonctions au sein des STE. En utilisant des incubations de sédiments qui imitent les facteurs de stress attendus, tels que l'élévation du niveau de la mer, l'augmentation des niveaux de nutriments et de longs temps de séjour, l'étude révèle la sensibilité des communautés microbiennes aux changements de nitrate et de salinité.

Ces résultats soulignent le rôle central des communautés microbiennes dans la réponse aux fluctuations environnementales du microbiote et dans la régulation des cycles du carbone et de l’azote dans les zones océaniques côtières. De plus, les activités humaines remodèlent radicalement les entreprises publiques, soulignant le besoin urgent d’efforts de conservation, tels que la réduction des taux de prélèvement des eaux souterraines.

Citation : Adyasari, D., Dimova, NT, Ní Chadhain, SM et Waska, H. (2024). Communautés microbiennes et activité métabolique dans les aquifères riches en matières organiques : l'impact des changements climatiques et d'utilisation des terres. Journal de recherche géophysique : Biogéosciences129, e2023JG007660. https://doi.org/10.1029/2023JG007660

—Marguerite A. Xenopoulos, rédacteur en chef, JGR : Biogéosciences

Texte © 2024. Les auteurs. CC BY-NC-ND 3.0
Sauf indication contraire, les images sont soumises au droit d'auteur. Toute réutilisation sans autorisation expresse du titulaire des droits d'auteur est interdite.

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Les neurones sensoriels jouent un rôle central dans la coordination de la réparation et de la régénération des tissus

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Des chercheurs de l’Université Monash et de l’Université d’Osaka ont dévoilé une découverte révolutionnaire concernant le rôle central des neurones sensoriels dans la régulation de la réparation et de la régénération des tissus, ce qui est très prometteur pour les patients souffrant d’une mauvaise cicatrisation des tissus et de diabète.

En collaboration avec le professeur Shizuo Akira de l'Union internationale de recherche sur le cancer, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Mikael Martino de l'université Monash, qui a également occupé un poste à plusieurs postes à l'université d'Osaka, a publié une avancée majeure dans la médecine régénérative. .. nature.

Leurs recherches mettent en évidence l’interaction complexe entre les systèmes nerveux et immunitaire, ainsi que l’implication essentielle des neurones sensoriels dans la réparation et la régénération des tissus. Alors que les neurones sensoriels nociceptifs sont principalement associés à la sensation de douleur, leur contribution à la régénération tissulaire n’était pas claire jusqu’à présent. Grâce à leurs recherches, l’équipe a démontré que la suppression d’un sous-type spécifique de neurones sensoriels contenant le canal ionique Nav1.8 altère considérablement la réparation des plaies cutanées et la régénération musculaire après une blessure. En outre, ils ont révélé que les terminaisons de ces neurones sensoriels s’étendent jusqu’à la peau et aux tissus musculaires blessés et communiquent avec les cellules immunitaires via le peptide neuronal lié au gène de la calcitonine (CGRP) pendant le processus de guérison. Ce neuropeptide joue un rôle crucial en influençant les cellules immunitaires pour faciliter la guérison des tissus après une blessure. Dans des modèles précliniques, tels que des souris dépourvues de neurones sensoriels et des souris diabétiques dont les neurones périphériques sont endommagés, une version technique du CGRP a été utilisée, conçue pour améliorer son efficacité, accélérer la cicatrisation des plaies et favoriser la régénération musculaire.

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Ces résultats sont très prometteurs pour la médecine régénérative, en particulier dans le traitement des tissus mal cicatrisés, couramment observés dans des pathologies telles que le diabète. En regardant vers l’avenir, l’équipe vise à développer des thérapies innovantes ciblant les causes sous-jacentes d’une mauvaise réparation tissulaire en exploitant les interactions neuro-immunes.

L'Université Monash est l'un des partenaires mondiaux de connaissances de l'Université d'Osaka, un partenariat stratégique visant à développer des programmes de recherche et d'enseignement durables et de haute qualité qui peuvent contribuer à résoudre les problèmes mondiaux. L'auteur principal, Mikael Martino, un fervent défenseur de la collaboration entre les deux universités, a souligné l'importance des relations interinstitutionnelles solides et du système de nomination mutuelle pour permettre aux chercheurs internationaux comme lui de collaborer efficacement avec les universitaires de l'Université d'Osaka.

source:

Référence du magazine :

Lu, Y.-Z., et autres. (2024). Les neurones sensoriels CGRP favorisent la guérison des tissus via les neutrophiles et les macrophages. nature. est ce que je.org/10.1038/s41586-024-07237-y.

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Les récifs artificiels conçus par les ingénieurs du MIT pourraient protéger la vie marine et réduire les dégâts causés par les tempêtes

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Les magnifiques récifs coralliens noueux qui entourent les îles tropicales servent de refuge marin et de tampon naturel contre les mers agitées. Mais à mesure que les effets du changement climatique s’aggravent et que les récifs coralliens s’effondrent dans le monde entier, et que les événements météorologiques extrêmes deviennent plus fréquents, les communautés côtières deviennent de plus en plus vulnérables aux fréquentes inondations et à l’érosion.

L’équipe du MIT espère désormais fortifier les côtes avec des récifs « architecturaux » – des structures marines durables conçues pour imiter les effets des récifs coralliens naturels sur la résistance aux vagues tout en fournissant des enclaves aux poissons et autres espèces marines.

La conception du récif de l'équipe se concentre sur une structure cylindrique entourée de quatre segments en forme de gouvernail. Les ingénieurs ont découvert que lorsque cette structure résiste à une vague, elle brise efficacement la vague en jets turbulents qui finissent par dissiper la majeure partie de l’énergie totale des vagues. L’équipe a calculé que la nouvelle conception pourrait réduire l’énergie des vagues autant que les récifs artificiels existants, en utilisant dix fois moins de matériaux.

Les chercheurs prévoient de fabriquer chaque structure cylindrique à partir de ciment durable, qu'ils mouleront en un motif de « voxels » qui pourront être assemblés automatiquement et fourniront des enclaves aux poissons à explorer et à d'autres espèces marines où s'installer. Les cylindres peuvent être reliés pour former un long mur semi-perméable que les ingénieurs peuvent ériger le long du rivage, à environ 800 mètres du rivage. Sur la base des premières expériences de l'équipe avec des prototypes à l'échelle du laboratoire, les coraux artificiels peuvent réduire l'énergie des vagues entrantes de plus de 95 %.

«Ce sera comme un long brise-lames», déclare Michael Triantafilou, professeur Henry L. et Grace Doherty de sciences et de génie océaniques au Département de génie mécanique. « Si les vagues atteignent 6 mètres de haut en direction de la structure du récif, elles finiront par avoir moins d'un mètre de haut de l'autre côté. Cela tue donc l'effet des vagues, ce qui pourrait empêcher l'érosion et les inondations. »

Les détails de la conception des coraux artificiels sont rapportés aujourd'hui dans une étude parue dans la revue en libre accès. Association PNAS. Les co-auteurs du MIT Triantafyllou sont Edvard Ronglan SM '23 ; les étudiants diplômés Alfonso Parra Rubio, José del Huella Ferrandes et Erik Strand ; Les chercheuses Patricia Maria Stazato et Carolina Bastidas ; Professeur Neil Gershenfeld, directeur du Centre pour les atomes et les pièces ; Avec Alexis Oliveira da Silva de l'Institut Polytechnique de Paris, Dexia Fan de Westlake University et Jeffrey Geyer Jr. de Scinetics, Inc.

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Profitez des perturbations

Certaines régions ont déjà créé des récifs coralliens artificiels pour protéger leurs côtes des tempêtes envahissantes. Ces structures sont généralement des navires coulés, des plates-formes pétrolières et gazières abandonnées et même des formations assemblées de béton, de métal, de pneus et de pierre. Cependant, il existe actuellement des variations dans les types de récifs artificiels existants et il n’existe aucune norme concernant la géométrie de ces structures. De plus, les conceptions déployées ont tendance à avoir une faible dissipation des ondes par unité de volume de matériau utilisé. Cela signifie qu’il faut une énorme quantité de matériaux pour décomposer suffisamment d’énergie des vagues afin de protéger adéquatement les communautés côtières.

Au lieu de cela, l’équipe du MIT a cherché des moyens de concevoir des récifs artificiels qui dissiperaient efficacement l’énergie des vagues en utilisant moins de matériaux, tout en offrant un refuge aux poissons vivant le long de tout littoral vulnérable.

« N'oubliez pas que les récifs coralliens naturels n'existent que dans les eaux tropicales », explique Triantafilou, directeur du MIT Sea Grant Program. « Nous ne pourrions pas avoir ces récifs, par exemple, dans le Massachusetts. Mais les récifs conçus ne dépendent pas de la température, ils peuvent donc être placés dans n'importe quelle eau, protégeant ainsi davantage de zones côtières. »

Ce nouvel effort est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs du MIT Sea Grant, qui ont développé la conception hydrodynamique de la structure du récif, et des chercheurs du Center for Parts and Atoms (CBA), qui ont travaillé pour rendre la structure modulaire et facile à fabriquer. sur site. . La conception du récif corallien par l'équipe est née de deux problèmes apparemment sans rapport. Les chercheurs de l’ABC développaient des structures cellulaires ultralégères pour l’industrie aérospatiale, tandis que les chercheurs de Sea Grant évaluaient les performances des obturateurs anti-éruption dans les structures pétrolières offshore – des vannes cylindriques utilisées pour sceller les puits de pétrole et de gaz et empêcher leurs fuites.

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Les tests de l'équipe ont montré que la disposition cylindrique de la structure génère une traînée importante. En d’autres termes, la structure semble particulièrement efficace pour dissiper les flux de pétrole et de gaz de grande puissance. Le même agencement, se demandaient-ils, pourrait-il dissiper un autre type d’écoulement, dans les vagues océaniques ?

Les chercheurs ont commencé à manipuler la structure globale dans les simulations d’écoulement d’eau, en ajustant leurs dimensions et en ajoutant des éléments spécifiques pour voir si et comment les vagues changeaient lorsqu’elles frappaient chaque conception de simulation. Ce processus itératif a finalement abouti à une géométrie raffinée : un cylindre vertical entouré de quatre longues bandes, chacune reliée au cylindre de manière à laisser de la place à l'eau pour s'écouler à travers la structure résultante. Ils ont découvert que cette configuration réfractait essentiellement toute énergie de vague entrante, provoquant l’enroulement de parties du flux induit par les vagues sur les côtés au lieu de s’effondrer vers l’avant.

« Nous profitons de ces turbulences et de ces jets puissants pour finalement dissiper l'énergie des vagues », explique Ferrandis.

Résistez aux tempêtes

Une fois que les chercheurs ont identifié la structure idéale pour la dissipation des vagues, ils ont fabriqué une version en laboratoire du récif corallien, façonnée à partir d’une série de structures cylindriques, qu’ils ont imprimées en 3D à partir de plastique. Chaque cylindre d'essai mesure environ 1 pied de large et 4 pieds de long. Ils ont assemblé un certain nombre de cylindres, chacun espacé d'environ un pied, pour former une structure en forme de clôture, puis l'ont descendu dans un réservoir à vagues au MIT. Ils ont ensuite généré des vagues de différentes hauteurs et les ont mesurées avant et après avoir traversé le récif artificiel.

« Nous avons vu les vagues diminuer considérablement, à mesure que les récifs coralliens détruisaient leur énergie », explique Triantafilou.

L'équipe a également étudié la possibilité de rendre les structures plus poreuses et plus adaptées à la pêche. Ils ont découvert qu’au lieu de fabriquer chaque structure à partir d’une feuille de plastique solide, ils pouvaient utiliser un type de ciment moins coûteux et plus durable.

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« Nous avons travaillé avec des biologistes pour tester le ciment que nous avons l'intention d'utiliser. Il est sans danger pour la pêche et prêt à l'emploi », ajoute-t-il.

Ils ont identifié un modèle idéal de microstructures dans lesquelles le ciment peut être façonné, afin de fabriquer des récifs coralliens tout en créant des enclaves dans lesquelles les poissons peuvent vivre. Cette géométrie de voxel ressemble à des cartons d'œufs individuels, empilés bout à bout, et semble n'avoir aucun effet sur la capacité globale de dissipation des ondes de la structure.

« Ces axes maintiennent toujours une grande traînée tout en permettant au poisson de se déplacer », explique Ferrandis.

L’équipe fabrique actuellement des structures de voxels en ciment et les assemble dans des récifs conçus à l’échelle du laboratoire, qu’elle testera dans différentes conditions de vagues. Ils envisagent que la conception du voxel pourrait être modulaire, évolutive à n’importe quelle taille souhaitée et facile à transporter et à installer dans divers endroits extérieurs. « Nous simulons actuellement les modèles marins réels et testons le fonctionnement de ces modèles lorsque nous devrons éventuellement les déployer », explique Anjali Sinha, une étudiante diplômée du MIT qui a récemment rejoint le groupe.

À l’avenir, l’équipe espère travailler avec des villes balnéaires du Massachusetts pour tester les structures à une échelle pilote.

« Ces structures de test ne seront pas petites », souligne Triantafilou. « Il fera environ un mile de long, environ 5 mètres de haut, et coûtera environ 6 millions de dollars par mile. Ce n'est donc pas bon marché. Mais cela pourrait éviter des milliards de dollars de dégâts causés par les tempêtes. Et avec le changement climatique, la protection des côtes va devenir un gros problème. »

Ces travaux ont été financés en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency des États-Unis.

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