211service.com
Trillende cellen onthullen hun kwalen
Door fysica, techniek en microbiologie te overbruggen, hebben onderzoekers van MIT de frequentie gemeten waarmee rode bloedcellen trillen en hebben ze aangetoond dat die frequenties de gezondheid van de cellen weerspiegelen. Het onderzoek kan leiden tot betere medische diagnostiek.
Levendige cellen: Michael Feld en Subra Suresh van MIT konden met behulp van een in het laboratorium van Feld ontwikkelde techniek de trillingen van het membraan van een met de malariaparasiet geïnfecteerde bloedcel in beeld brengen (boven). De techniek van Feld leverde ook beelden op van het binnenste van de cellen (onder), waardoor de onderzoekers de trillingsfrequenties van de cellen konden correleren met de voortgang van de ziekte.
Het werk werd uitgevoerd in samenwerking tussen MIT-fysicus Michael Field en Subra Suresh , decaan van de technische school van MIT en een materiaalwetenschapper. Feld leidt het Laser Biomedical Research Center van MIT, dat een beeldvormingstechniek heeft ontwikkeld die driedimensionale afbeeldingen van levende cellen kan maken. Het laboratorium van Suresh heeft experimenten uitgevoerd om onder meer de stijfheid van rode bloedcellen die zijn geïnfecteerd met malariaparasieten te meten.
In een rode bloedcel vindt elektrische, chemische en biologische activiteit plaats, die trillingen op nanoschaal aan het oppervlak veroorzaakt. Om de trillingsfrequenties van de cellen te meten, combineerden de onderzoekers de beeldvormingstechniek van Feld met diffractiefasemicroscopie, waarbij een laserstraal die door een cel gaat, zich weer aansluit bij een referentiestraal die dat niet doet, waardoor een onderscheidend interferentiepatroon ontstaat. Om het verband te leggen tussen de vibratie van de cellen en hun gezondheid, gebruikten de onderzoekers de techniek van Feld om driedimensionale beelden te maken van een malariaparasiet in een rode bloedcel. Ze maten ook de niveaus van hemoglobine in de cellen tijdens verschillende stadia van een malaria-infectie.
Dit is nog nooit eerder gedaan, zegt Ares Rosakis , hoogleraar luchtvaart en werktuigbouwkunde aan het California Institute of Technology. Het verkleinen van optische technieken tot [het nanoschaal]-niveau is een enorme uitdaging. (Rosakis was niet betrokken bij het werk, hoewel een van zijn voormalige afgestudeerde studenten dat wel was.)
Rosakis ziet twee toepassingen voor de nieuwe technieken. Een daarvan is het verbeteren van computermodellen van cellen, omdat de metingen van Feld en Suresh zoveel nauwkeuriger zijn dan eerdere metingen. De andere is betere diagnostiek. De Amerikaanse Centers for Disease Control (CDC) merken op dat de belangrijkste test voor malaria momenteel: werkt niet bij acute malaria : het kan de ziekte pas achteraf herkennen. Uiteindelijk zou een techniek als die van Feld en Suresh een manier kunnen zijn om malaria op te sporen terwijl het gebeurt. Denk aan de toekomst van een arts of zelfs een ongetrainde technicus die [de technologie] heeft ingebouwd in een commerciële microscoop en … onmiddellijk een lezing krijgt over de toestand van de ziekte, zegt Rosakis.
Suresh merkt op dat het zeldzaam was dat werktuigbouwkundigen aan celbiologie werkten, en nog zeldzamer om het met natuurkundigen te doen. Maar hij en Feld hoeven het gebouw niet uit om samen te werken, zegt hij.
De twee begonnen ongeveer twee en een half jaar geleden samen te werken, nadat Feld Suresh had uitgenodigd om een lezing te geven over het werk dat zijn laboratorium aan malariacellen deed. Na het gesprek van Suresh besloten de twee om krachten en instrumenten te bundelen om de snelheid te meten waarmee gezonde en zieke rode bloedcellen trillen.
Ze kozen voor malariacellen vanwege de ervaring van Suresh om met hen te werken, maar het betekende dat het laboratorium van Feld opnieuw moest worden ingericht om te voldoen aan de bioveiligheidsnormen van niveau 2 van de CDC. Dat project werd geleid door een van de onderzoekers van het team van Suresh, Monica Diez-Silva, de enige microbioloog in beide groepen.
Het duurt 48 uur voordat een malaria-indringer zijn levenscyclus heeft doorlopen, zich ontwikkelt, zich voortplant en uit de cel wordt verdreven. De onderzoekers moesten dus geïnfecteerde cellen uit elke fase van dat 48-uursproces evalueren, bij temperaturen die de koorts en afkoeling simuleerden die het menselijk lichaam ervaart tijdens een malaria-infectie.
Vibrerende celmembranen bewegen slechts nanometers per keer, en die bewegingen vinden plaats in microseconden – miljoenste van een seconde. Om de gegevens van de laserstraal die door de cellen gaat vast te leggen, gebruikten de onderzoekers de beeldvormingstechniek van Feld, die meerdere afbeeldingen aan elkaar hecht tot een composiet. De techniek is een soort tomografie, het principe dat ten grondslag ligt aan computertomografie (CT) -scans.
Rosakis zegt dat beeldvorming met interferentiepatronen vooral een uitdaging is bij het kijken naar rode bloedcellen, die donutvormig en vloeibaar zijn en constant van vorm veranderen in alle richtingen.
De eerste reeks experimenten van Suresh en Feld duurde bijna acht maanden, inclusief weken en weken om de 3D-beelden van de parasieten in de cellen samen te stellen. Toen besloten ze naar de hemoglobinewaarden te kijken, wat ook maanden duurde. Ze waren bijna zes maanden bezig met het schrijven van de resultaten, die zullen worden gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences deze week.
Suresh zegt dat het onderzoek van toepassing moet zijn op elk ander type levende cellen. Hij en Feld willen rode bloedcellen met sikkelbloedarmoede en mogelijk kankercellen bekijken, hoewel het moeilijker zal zijn om cellen met een kern te bestuderen.
De technieken van Suresh en Feld kunnen nog niet worden gebruikt voor het diagnosticeren van ziekten, maar Suresh zegt dat hun werk de wetenschappelijke basis vormt voor het meten van ziekten op celniveau.