Mechanik spielt eine grundlegende Rolle in der Zellbiologie. Zellen steuern diese mechanischen Kräfte, um ihre Umgebung zu erkunden und das Verhalten umgebender lebender Zellen zu erfassen. Die physikalischen Eigenschaften der Umgebung einer Zelle beeinflussen wiederum die Zellfunktionen. Daher liefert das Verständnis, wie Zellen mit ihrer Umgebung interagieren, entscheidende Einblicke in die Zellbiologie und hat weitreichendere Auswirkungen auf die Medizin, einschließlich Krankheitsdiagnose und Krebstherapie.
Bisher haben Forscher zahlreiche Werkzeuge entwickelt, um das Zusammenspiel zwischen Zellen und ihrer 3D-Mikroumgebung zu untersuchen. Eine der beliebtesten Technologien ist die Traktionskraftmikroskopie (TFM). Es ist eine führende Methode zur Bestimmung der Zugkräfte auf der Substratoberfläche einer Zelle und liefert wichtige Informationen darüber, wie Zellen die Kräfte wahrnehmen, sich anpassen und darauf reagieren.
Die Anwendung von TFM ist jedoch darauf beschränkt, Informationen über die Translationsbewegung von Markern auf Zellsubstraten bereitzustellen. Informationen über andere Freiheitsgrade, wie z. B. Rotationsbewegungen, bleiben aufgrund technischer Beschränkungen und begrenzter Forschung zu diesem Thema spekulativ.
Ingenieursexperten der Universität Hongkong haben eine neuartige Technik zur Messung des Zelltraktionskraftfelds vorgeschlagen und die Forschungslücke geschlossen. Das interdisziplinäre Forschungsteam wurde von Dr. Zhiqin Chu von der Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik und Dr. Yuan Lin von der Fakultät für Maschinenbau geleitet. Sie nutzten einzelne Stickstoffleerstellen (NV)-Zentren in Nanodiamanten (NDs), um eine lineare Polarisationsmodulationsmethode (LPM) vorzuschlagen, die sowohl die Rotations- als auch die Translationsbewegung von Markern auf Zellsubstraten messen kann.
Die Studie bietet eine neue Perspektive auf die Messung des mehrdimensionalen Zelltraktionskraftfeldes und die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Die Forschung zeigte hochpräzise Messungen der Rotations- und Translationsbewegung der Marker auf der Zellsubstratoberfläche. Diese experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretischen Berechnungen und früheren Ergebnisse.
Aufgrund ihrer ultrahohen Photostabilität, guten Biokompatibilität und bequemen chemischen Oberflächenmodifikation sind fluoreszierende NDs mit NV-Zentren ausgezeichnete fluoreszierende Marker für viele biologische Anwendungen. Die Forscher fanden heraus, dass basierend auf den Messergebnissen der Beziehung zwischen der Fluoreszenzintensität und der Orientierung eines einzelnen NV-Zentrums zur Laserpolarisationsrichtung hochpräzise Orientierungsmessungen und eine hintergrundfreie Bildgebung erreicht werden konnten.
So hilft die vom Team erfundene LPM-Methode, technische Engpässe bei der zellulären Kraftmessung in der Mechanobiologie zu lösen, die interdisziplinäre Kooperationen aus Biologie, Ingenieurwissenschaften, Chemie und Physik umfasst.
„Die Mehrzahl der Zellen in mehrzelligen Organismen sind Kräften ausgesetzt, die räumlich und zeitlich stark aufeinander abgestimmt sind. Die Entwicklung einer mehrdimensionalen Zelltraktionskraft-Feldmikroskopie war eine der größten Herausforderungen auf diesem Gebiet“, sagte Dr. Chu.
„Im Vergleich zum herkömmlichen TFM bietet uns diese neue Technologie ein neues und bequemes Werkzeug zur Untersuchung der realen 3D-Interaktion zwischen Zelle und extrazellulärer Matrix. Sie hilft dabei, sowohl Rotations-Translations-Bewegungsmessungen im Zelltraktionsfeld zu erreichen als auch Informationen über die Zelltraktion zu liefern Kraft“, fügte er hinzu.
Das Haupthighlight der Studie ist die Fähigkeit, sowohl die Translations- als auch die Rotationsbewegung von Markern mit hoher Präzision anzuzeigen. Es ist ein großer Schritt zur Analyse mechanischer Wechselwirkungen an der Zell-Matrix-Grenzfläche. Es bietet auch neue Wege der Forschung.
Durch spezielle Chemikalien auf der Zelloberfläche interagieren und verbinden sich die Zellen als Teil eines Prozesses, der als Zelladhäsion bezeichnet wird. Die Art und Weise, wie eine Zelle während der Adhäsion Spannung erzeugt, wurde hauptsächlich als „in der Ebene“ beschrieben. Prozesse wie Traktionsspannung, Aktinfluss und Adhäsionswachstum sind alle miteinander verbunden und zeigen eine komplexe gerichtete Dynamik.
Die LPM-Methode könnte helfen, die komplizierten Drehmomente rund um die fokale Adhäsion zu verstehen und verschiedene mechanische Belastungen auf Nanoebene zu trennen (z. B. normale Traktionen, Scherkräfte). Es kann auch helfen zu verstehen, wie die Zelladhäsion auf verschiedene Arten von Stress reagiert und wie diese die Mechanotransduktion vermitteln (den Mechanismus, durch den Zellen mechanische Reize in elektrochemische Aktivität umwandeln).
Diese Technologie ist auch vielversprechend für die Untersuchung verschiedener anderer biomechanischer Prozesse, einschließlich der Aktivierung von Immunzellen, der Gewebebildung und der Replikation und Invasion von Krebszellen. Beispielsweise können T-Zell-Rezeptoren, die eine zentrale Rolle bei der Immunantwort auf Krebs spielen, extrem dynamische Kräfte erzeugen, die für das Gewebewachstum von entscheidender Bedeutung sind. Diese hochpräzise LPM-Technologie kann helfen, diese mehrdimensionale Kraftdynamik zu analysieren und Einblicke in die Gewebeentwicklung zu geben.
Das Forschungsteam forscht aktiv an Methoden zur Erweiterung der optischen Bildgebungsfähigkeiten und zur gleichzeitigen Kartierung mehrerer Nanodiamanten.
Lingzhi Wang et al, All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02232