כלי חישה קוונטי חדש, Quantum-Enhanced Diamond Molecular Tension Microscopy (QDMTM), שפותח על ידי צוותים מאוניברסיטת הונג קונג ואוניברסיטת סצ'ואן, מודד במדויק כוחות היצמדות תאית, משפר את ההבנה שלנו במכניקת התא ומסייע לחקר הסרטן.
חוקרים ב-HKU Engineering מפתחים טכניקת הדמיית כוח סלולרית פורצת דרך באמצעות מיקרוסקופ חישה קוונטי מבוסס יהלומים.
הפרויקט, בראשות פרופסור Zhiqin Chu מהמחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה באוניברסיטת הונג קונג (HKU), ופרופסור צ'יאנג ווי מאוניברסיטת סצ'ואן, השתמש בטכנולוגיית חישה קוונטית נטולת תוויות למדידת כוח סלולרי ב- ננומטרי. התקדמות זו עולה על המגבלות של כלי מדידת כוח תאיים מסורתיים ומספקת תובנות חדשות על מכניקה סלולרית, במיוחד בנוגע לאופן שבו כוחות ההיצמדות התאיים משפיעים על התפשטות תאים סרטניים.
צוות המחקר פיתח מיקרוסקופיית מתח מולקולרית של יהלומים משופרת קוונטית חדשה (QDMTM) המציעה גישה יעילה לחקר כוחות היצמדות תאים. בהשוואה לשיטות מדידת כוח התא המשתמשות בבדיקות פלורסנט, ל-QDMTM יש פוטנציאל להתגבר על אתגרים כגון הלבנת צילום, רגישות מוגבלת ואי בהירות בפרשנות הנתונים. יתר על כן, ניתן לנקות חיישני QDMTM ולעשות בהם שימוש חוזר, מה שמשפר את המוחלט דיוק של השוואת כוחות היצמדות תאים על פני דגימות שונות.
תרשים סכמטי הממחיש את העיצוב של QDMTM. הפאנל השמאלי מציג את עקרון העבודה של מיקרוסקופ יהלומים קוונטי רחב שדה. ההוספה מראה כיצד ניתן לכמת את הכוחות התאיים המופעלים על ידי מדידת מרכזי NV. הלוח הימני מציג את מנגנון חישת הכוח המדויק. אנטנת MW: אנטנת מיקרוגל; OBJ: אובייקטיבי; DM: מראה דיכרואית. קרדיט: אוניברסיטת הונג קונג
השיטה החדשה משנה באופן מהותי את הדרך לחקר נושאים חשובים כמו אינטראקציות בין תא-תא או תא-חומר, עם השלכות משמעותיות על ביו-פיזיקה והנדסה ביו-רפואית. הממצאים פורסמו ב התקדמות המדע.
רקע המחקר
תאים מסתמכים על משחק מתמיד וחילופי מידע עם המיקרו-סביבה שלהם כדי להבטיח את הישרדותם ולבצע פונקציות ביולוגיות. לפיכך, כימות מדויק של כוחות היצמדות תאיים זעירים, החל מפיקוניוטונים ועד כמה ננו-ניוטון, חיוני להבנת המורכבויות של אפנון כוח בתאים.
פרופסור Zhiqin Chu (מימין) ופנג שו (משמאל), המחבר הראשון של עבודת המחקר. קרדיט: אוניברסיטת הונג קונג
במהלך העשורים האחרונים פותחו בהצלחה שיטות שונות למדידת כוחות ההדבקה הסלולרית. נכון לעכשיו, מספר טכנולוגיות מובילות כגון מיקרוסקופיית כוח המתיחה (TFM), פינצטה אופטית/מגנטית ומיקרוסקופיה פלואורסצנטית מבוססת מתח מולקולרית (MTFM) נמצאות בשימוש נרחב למדידת כוחות תא.
עם זאת, לטכניקות אלה יש מגבלות בולטות במונחים של רגישות ופרשנות נתונים, אשר פוגעות ביכולת שלנו להבין באופן מקיף את המכנוביולוגיה. בנוסף, טכניקת MTFM מעוכבת על ידי האופי הסטוכסטי של הלבנת fluorophore. לכן, חיוני לפתח טכניקה חדשה שיכולה למדוד במדויק את כוחות הדבקה בתאים בצורה נטולת תוויות ניאון. זה חיוני לקידום תחום המכנוביולוגיה.
זיהוי מוכח של כוחות המתיחה של התאים המודבקים. שלושה תאים טיפוסיים, כלומר תא (A) מפוזר היטב, (B) תא מפוזר פחות ו-(C) תאים בעלי קשר עם תא נבחרו כדי להדגים את המדידות: שתי העמודות הראשונות מציגות את תמונות האור המועברות והתמונות המסומנות המתאימות. ; העמודה השלישית מציגה את מיפוי T1 והעמודה האחרונה מציגה את פרופיל הקו, כפי שמסומן בעמודה השנייה והשלישית, של ערך T1 על פני גוף התא. (ד) ערכי T1 מעריך שינויים באזורים נבחרים של תאים. קרדיט: אוניברסיטת הונג קונג
שיטות מחקר וממצאים
צוות המחקר פיתח QDMTM על ידי שילוב של הארכת הפולימר (הפועל כמתמר כוח) המושרה על ידי כוחות תא עם זמן הרפיה האורך של NV. התכונות הקוונטיות הייחודיות של סיבובי האלקטרונים המרכזיים של NV ביהלומים משמשות בסיס בסיסי לרגישות ולדיוק חסרי התקדים של QDMTM.
חילוץ בסיוע סימולציה של כוחות תא ממיפוי T1. (א) הסכמות מציגות את המודל הפשוט: שכבה של מרכזי NV מופצת באופן אקראי מתחת לפני השטח העליון של קרום היהלום עם עומק נתון וצפיפות קבועה; שכבה של קומפלקסים Gd3+ המחוברים ל-PEG פועלת כאמבט ספין משתנה באקראי; שתי השכבות שהוזכרו לעיל מופרדות על ידי מולקולות PEG דמויות קפיץ והארכת הכוח שלהן מתוארת על ידי דגם Worm-Like Chain. השטח המלבני האדום מייצג את שטח החישה המינימלי שאומץ (600 ננומטר × 600 ננומטר). (ב) הקשר המדומה בין כוחות התא וערך T1. מפת ההרחבה (C) PEG ו- (D) מפת כוח המתיחה הסלולרית של גוף התא בתא נבחר אחד (אותו באיור 6B). התוספת היא התצוגה המוגדלת של האזור המלבני שנבחר. (ה) פרופיל כוח לאורך הקו הכחול שצויר באיור 7D. כיוון הכוח הסלולרי המופעל על פולימר PEG נורמלי למשטח היהלום. קרדיט: אוניברסיטת הונג קונג
הייחודיות של חידוש זה נעוצה בניצול של "מתמר כוח" שהוא פולימר המגיב לכוח, המסוגל להמיר אותות מכניים לאותות מגנטיים. על ידי מדידת השינויים בזמן הרפיית ספין NV הנגרמים על ידי הרעש המגנטי, ניתן לקבוע את כוחות ההדבקה המופעלים על ידי תאים על "מתמר הכוח". טכניקות המדידה הקיימות אינן מסוגלות למדוד ביעילות את האותות המגנטיים הסטוכסטיים בקנה מידה ננו.
טכניקת QDMTM החדשנית מציעה גישה יעילה לחקר כוחות היצמדות לתאים. באמצעות המחקר שלהם, החוקרים הצליחו להבדיל בהצלחה בין תאים במצבי הידבקות שונים ומצאו שגודל הכוחות התאיים באזורי תאים שונים תואם את הממצאים הקודמים. זה מצביע על כך ששיטת QDMTM מסוגלת למדוד במדויק כוחות היצמדות לתאים. השלב הבא של המחקר שלהם מתמקד בהרחבת החיישן הקוונטי מיהלום בתפזורת לחלקיקי יהלומים ננומטריים, שיאפשרו מדידת כוחות התא בכל כיוון.
