تیمی به سرپرستی محققان موسسه ملی علوم مواد (NIMS) در تسوکوبای ژاپن، از میکروسکوپ نیروی اتمی برای اعمال نیرو در سراسر سطح سلول‌های مختلف استفاده کردند. این روش از کاوشگرهایی در مقیاس نانو با نوک هایی به اندازه چند میلیاردم متر برای اندازه گیری و ترسیم نحوه توزیع نیرو در سطح سلولی و در سراسر سلول استفاده می کند.
با دادن چنین «نانو پوک» به سلول‌های زنده و نظارت بر تغییرات حاصله در محیط درون سلولی، دانشمندان توانستند اولین نگاه خود را از واکنش سلول‌های کامل به فشار مکانیکی خارجی دریافت کنند.
محققان از یادگیری ماشینی برای تحلیل و مدل‌سازی نیروهایی که اندازه‌گیری کردند استفاده کردند. آنها همچنین از تکنیک‌های تثبیت و رنگ‌آمیزی برای مطالعه چگونگی تأثیر اعوجاج نیرو بر ساختارهای داخلی سلول و میکروتوبول‌ها و رشته‌های اکتینی که «اسکلت» آن را تشکیل می‌دهند، استفاده کردند.
جون ناکانیشی، دکترای دکتر، یکی از نویسندگان مرتبط در مطالعه «نقشه‌برداری استرس درون سلول‌های زنده با میکروسکوپ نیروی اتمی در پاسخ به محرک‌های محیطی»، می‌گوید: «سلول‌ها مواد هوشمندی هستند که می‌توانند با محرک‌های شیمیایی و مکانیکی مختلف از محیط اطراف خود سازگار شوند.» که در ظاهر می شود علم و فناوری مواد پیشرفته. ناکانیشی همچنین رهبر گروه زیست‌شناسی مکانیکی در NIMS است.
مکانیسم های بازخورد سریع
این توانایی برای انطباق به مکانیسم های بازخورد سریع برای سالم و دست نخورده نگه داشتن سلول متکی است و شواهد روزافزونی وجود دارد که نشان می دهد شکست این پاسخ سلولی زمینه ساز طیفی از بیماری ها از جمله دیابت، بیماری پارکینسون، حملات قلبی و سرطان است.
تیم تحقیقاتی پاسخ سلول های سالم و سرطانی را مقایسه کردند. سلول‌های سرطانی نسبت به سلول‌های سالم در برابر فشرده‌سازی خارجی انعطاف‌پذیرتر بودند و احتمال کمتری داشت که در پاسخ، مرگ سلولی را فعال کنند.
این یافته‌ها نه تنها مکانیک پیچیده درون سلولی پاسخ استرس را روشن می‌کند، بلکه کشف پاسخ‌های مختلف در سلول‌های سرطانی می‌تواند راهی جدید برای تشخیص سلول‌های سالم و سرطانی ارائه دهد – ابزاری تشخیصی مبتنی بر مکانیک سلولی.
تاکنون، مطالعات این پاسخ های سلولی با تکنیک های مورد استفاده محدود شده است. به عنوان مثال، برخی از روش‌ها مستلزم این هستند که سلول‌ها از قبل با حسگرها تجهیز شوند، بنابراین آنها فقط می‌توانند بخش کوچکی از پاسخ را اندازه‌گیری کنند.
لمس یک سلول
دکتر هونگ‌شین وانگ که اولین نویسنده این مطالعه است، می‌گوید: «ما یک روش منحصربه‌فرد برای «لمس» یک سلول با «دست» در مقیاس نانو اختراع کردیم، به طوری که توزیع نیرو روی یک سلول کامل را بتوان با وضوح نانومتری ترسیم کرد. فوق دکتری در گروه مکانیک زیست شناسی.
این مطالعه نشان داد که نیروهای کششی و فشاری در بین الیاف اکتین و میکروتوبول‌های درون سلول توزیع می‌شوند تا شکل آن را حفظ کنند، مشابه نحوه کار قطب‌ها و طناب‌های چادر کمپینگ. هنگامی که محققان عملکرد تحمل نیرو الیاف اکتین را غیرفعال کردند، دریافتند که خود هسته نیز در مقابله با نیروهای خارجی نقش دارد و نقش ساختار داخلی هسته را در پاسخ به استرس سلولی برجسته می کند.
در حال حاضر بیمارستان ها از اندازه، شکل و ساختار یک سلول برای تشخیص سرطان استفاده می کنند. با این حال، این ویژگی ها همیشه اطلاعات کافی برای تشخیص تفاوت بین سلول های سالم و بیمار ارائه نمی دهند.
هان ژانگ، PhD، نویسنده مرتبط دیگر این مطالعه و محقق ارشد گروه میکروسکوپ الکترونی می‌گوید: «یافته‌های ما روش دیگری برای بررسی شرایط سلول با اندازه‌گیری توزیع نیرو ارائه می‌کند که می‌تواند به طور چشمگیری دقت تشخیصی را بهبود بخشد.