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A mecânica desempenha um papel fundamental na biologia celular. As células navegam nessas forças mecânicas para explorar seus ambientes e sentir o comportamento das células vivas circundantes. As características físicas do ambiente de uma célula, por sua vez, afetam as funções da célula. Portanto, entender como as células interagem com seu ambiente fornece informações cruciais sobre a biologia celular e tem implicações mais amplas na medicina, incluindo diagnóstico de doenças e terapia do câncer.
Até agora, os pesquisadores desenvolveram inúmeras ferramentas para estudar a interação entre as células e seu microambiente 3D. Uma das tecnologias mais populares é a microscopia de força de tração (TFM). É um método líder para determinar as trações na superfície do substrato de uma célula, fornecendo informações importantes sobre como as células sentem, se adaptam e respondem às forças. No entanto, a aplicação do TFM é limitada a fornecer informações sobre o movimento translacional de marcadores em substratos celulares. Informações sobre outros graus de liberdade, como movimento rotacional, permanecem especulativas devido a restrições técnicas e pesquisas limitadas sobre o tema.
Especialistas em engenharia da Universidade de Hong Kong propuseram uma nova técnica para medir o campo de força de tração da célula e resolver a lacuna de pesquisa. A equipe de pesquisa interdisciplinar foi liderada pelo Dr. Zhiqin Chu, do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica, e pelo Dr. Yuan Lin, do Departamento de Engenharia Mecânica. Eles usaram centros de vacância de nitrogênio (NV) em nanodiamantes (NDs) para propor um método de modulação de polarização linear (LPM) que pode medir o movimento rotacional e translacional de marcadores em substratos celulares.
O estudo fornece uma nova perspectiva sobre a medição do campo de força de tração celular multidimensional e os resultados foram publicados na revista Nano Letras. A pesquisa, intitulada ‘All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields’, também é destaque como capa suplementar da revista.
A pesquisa mostrou medições de alta precisão do movimento rotacional e translacional dos marcadores na superfície do substrato celular. Esses resultados experimentais corroboram os cálculos teóricos e resultados anteriores.
Dada a sua fotoestabilidade ultra-alta, boa biocompatibilidade e modificação química de superfície conveniente, os NDs fluorescentes com centros NV são excelentes marcadores fluorescentes para muitas aplicações biológicas. Os pesquisadores descobriram que, com base nos resultados de medição da relação entre a intensidade de fluorescência e a orientação de um único centro NV para a direção de polarização do laser, podem ser alcançadas medições de orientação de alta precisão e imagens sem fundo.
Assim, o método LPM inventado pela equipe ajuda a resolver gargalos técnicos na medição de força celular em mecanobiologia, que engloba colaborações interdisciplinares de biologia, engenharia, química e física.
“A maioria das células em organismos multicelulares experimentam forças altamente orquestradas no espaço e no tempo. O desenvolvimento de uma microscopia de campo de força de tração celular multidimensional tem sido um dos maiores desafios no campo”, disse o Dr. Chu.
“Em comparação com o TFM convencional, esta nova tecnologia nos fornece uma ferramenta nova e conveniente para investigar a real interação 3D célula-matriz extracelular. força”, acrescentou.
O principal destaque do estudo é a capacidade de indicar o movimento translacional e rotacional dos marcadores com alta precisão. É um grande passo para analisar as interações mecânicas na interface célula-matriz. Também oferece novos caminhos de pesquisa.
Por meio de produtos químicos especializados na superfície celular, as células interagem e se conectam como parte de um processo chamado adesão celular. A forma como uma célula gera tensão durante a adesão tem sido descrita principalmente como ‘no avião’. Processos como estresse de tração, fluxo de actina e crescimento de adesão estão todos conectados e mostram uma dinâmica direcional complexa. O método LPM pode ajudar a entender os complicados torques em torno da adesão focal e separar diferentes cargas mecânicas em um nível de nanoescala (por exemplo, trações normais, forças de cisalhamento). Também pode ajudar a entender como a adesão celular responde a diferentes tipos de estresse e como eles mediam a mecanotransdução (o mecanismo pelo qual as células convertem o estímulo mecânico em atividade eletroquímica).
Essa tecnologia também é promissora para o estudo de vários outros processos biomecânicos, incluindo ativação de células imunes, formação de tecidos e replicação e invasão de células cancerígenas. Por exemplo, os receptores de células T, que desempenham um papel central nas respostas imunes ao câncer, podem gerar forças extremamente dinâmicas vitais para o crescimento do tecido. Essa tecnologia LPM de alta precisão pode ajudar a analisar essas dinâmicas de força multidimensionais e fornecer informações sobre o desenvolvimento de tecidos.
A equipe de pesquisa está pesquisando ativamente metodologias para expandir os recursos de imagem óptica e mapear simultaneamente vários nanodiamantes.
Este artigo intitulado ‘All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields’ é publicado na revista Nano Letras e apresentado como capa suplementar. Link: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02232
Consultas de mídia Sra. Celia Lee, Faculdade de Engenharia, HKU (Tel: 3917 8519; E-mail: leecelia@hku.hk) ou Sra. Charis Lai, Faculdade de Engenharia, HKU (Tel: 3917 1924; E-mail: chariskc@hku.hk)
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