Los Científicos Utilizan Ondas Acústicas Para Controlar La Rigidez De Las Células Vivas

Las ondas acústicas controlan la rigidez de las células vivas

Los investigadores del MIT han ideado una forma de utilizar ondas acústicas para medir de forma no invasiva la rigidez de las células vivas. Crédito: Rebecca Konte y Georgios “Yorgos” Katsikis

MIT Los ingenieros han ideado una forma nueva y no invasiva de medir la rigidez de las células vivas mediante ondas acústicas. Su técnica les permite monitorear células individuales durante varias generaciones e investigar cómo cambia la rigidez a medida que las células atraviesan el ciclo de división celular.

Este enfoque también podría usarse para estudiar otros fenómenos biológicos como la muerte celular programada o la metástasis, dicen los investigadores.

“El monitoreo no invasivo de las propiedades mecánicas unicelulares podría ser útil para estudiar muchos tipos diferentes de procesos celulares”, dice Scott Manalis, profesor Andrew y Erna Viterbi en los departamentos de Ingeniería Biológica e Ingeniería Mecánica del MIT, miembro del Instituto Koch de MIT para Integrative Cancer Research y autor principal del estudio.

También podría ser útil para analizar cómo responden las células tumorales de los pacientes a ciertos medicamentos, lo que podría ayudar a los médicos a elegir los mejores medicamentos para pacientes individuales, dicen los investigadores.

Joon Ho Kang, un estudiante graduado del MIT, es el primer autor del artículo, que aparece en la edición del 11 de febrero de Nature Methods. Otros autores incluyen a los postdoctorados Teemu Miettinen y Georgios Katsikis, la estudiante de posgrado Lynna Chen, el académico visitante Selim Olcum y el profesor de ingeniería química Patrick Doyle.

Una medida única

La nueva técnica de medición utiliza una tecnología que el laboratorio de Manalis desarrolló previamente para medir la masa de células. Este dispositivo, conocido como resonador de microcanal suspendido (SMR), puede medir la masa de las células a medida que fluyen a través de un diminuto voladizo lleno de líquido que vibra dentro de una cavidad de vacío. A medida que las células fluyen a través del canal, su masa altera ligeramente la frecuencia de vibración del voladizo, y la masa de la célula se puede calcular a partir de ese cambio de frecuencia.

En el nuevo estudio, los investigadores descubrieron que también podían medir los cambios en la rigidez de la célula, específicamente, una estructura celular llamada corteza que se encuentra justo debajo de la membrana celular. La corteza, que ayuda a determinar la forma de una célula, está compuesta principalmente por filamentos de actina. La contracción y relajación de estos filamentos a menudo ocurre durante procesos como la división celular, la metástasis y la muerte celular programada, lo que lleva a cambios en la rigidez de la corteza.

Durante los últimos dos años, Manalis y sus estudiantes se dieron cuenta de que la vibración del voladizo también crea una onda acústica que se puede usar para medir la rigidez de la partícula o celda que fluye a través del dispositivo. A medida que una partícula fluye a través del canal, interactúa con las ondas acústicas, cambiando el balance energético general. Esto altera la vibración del voladizo, en una cantidad que varía según la rigidez de la celda o partícula. Esto permite a los investigadores calcular la rigidez de la celda midiendo cuánto cambia la vibración.

Los investigadores confirmaron que su técnica es precisa midiendo partículas de hidrogel de rigideces conocidas, creadas en el laboratorio de Doyle, y midiéndolas a medida que fluían a través del dispositivo.

Las ondas acústicas que se utilizan para generar estas medidas perturban la celda sólo unos 15 nanómetros, mucho menos que el desplazamiento producido por la mayoría de las técnicas existentes para medir las propiedades mecánicas.

División celular

El equipo del MIT demostró que podían usar esta técnica para medir la rigidez de una sola celda repetidamente durante más de 20 horas mientras fluían hacia adelante y hacia atrás a través del dispositivo SMR. Durante este tiempo, pudieron monitorear la rigidez a través de dos o más ciclos de división celular. Descubrieron que a medida que las células entran en la mitosis, la rigidez disminuye, lo que los investigadores creen que se debe a la hinchazón que se produce cuando las células se preparan para dividirse. Al tomar imágenes de las células, confirmaron que la corteza celular se vuelve más delgada a medida que la célula se hincha.

Los investigadores también encontraron que la rigidez celular cambia dinámicamente justo antes de dividirse. La actina se acumula en la región ecuatorial, lo que hace que la célula sea más rígida, mientras que las regiones polares se relajan más a medida que las actinas se agotan temporalmente.

“Podemos usar nuestra forma de medir la rigidez para observar la dinámica de la actina de una manera no invasiva y sin etiquetas”, dice Kang.

Los investigadores planean comenzar a usar esta técnica para medir la rigidez de partículas aún más pequeñas, como los virus, y explorar si esa medición podría estar correlacionada con la infectividad de un virus.

“Medir la rigidez de partículas submicrónicas con un rendimiento significativo no es posible actualmente con los enfoques existentes”, dice Manalis. Tal capacidad podría ayudar a los investigadores que están trabajando en el desarrollo de virus debilitados que podrían probarse como posibles vacunas. Este tipo de medición también podría usarse para ayudar a caracterizar partículas diminutas como las que se usan para la administración de fármacos.

Otra posible aplicación es combinar la medición de la rigidez con las mediciones de la masa y la tasa de crecimiento que el laboratorio de Manalis ha estado desarrollando como un posible predictor de cómo responderán los pacientes individuales con cáncer a determinados medicamentos.

“Cuando se trata de ensayos para la medicina de precisión, la medición de múltiples propiedades funcionales de la misma célula podría ayudar a que las pruebas sean más predictivas”, dice Manalis.

La investigación fue financiada por la Beca de Apoyo del Instituto Koch del Instituto Nacional del Cáncer (NCI), el Centro Ludwig de Oncología Molecular, el Consorcio de Biología de Sistemas del Cáncer del NCI y el Instituto de Biotecnologías Colaborativas a través de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.

Publicación: Joon Ho Kang, et al., “Monitoreo no invasivo de la mecánica unicelular mediante dispersión acústica”, Nature Methods (2019)

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