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使用AFM研究衰老和癌细胞的纳米力学特性

2019-05-08 19:22:08 健康食品98℃

  使用AFM研究衰老和癌细胞的纳米力学特性

  赞助内容由Bruker Nano SurfacesOct 31 2017年

  塔夫茨大学Igor Sokolov教授访问4月Cashin-Garbutt,MA(Cantab)

  您能否解释一下您如何使用AFM研究与衰老过程和癌症相关的细胞的纳米力学特性?

  力显微镜是一种技术,可能最好用一个小手指的帮助来描述,该手指的顶点只有几个可触及物体的原子。这是一个学习的手指。

  就像我们用手指了解周围世界的事情一样。你可以触摸,推动和划伤;你可以看到你的手指粘在物体上多少钱。生物细胞是这些物体的一个例子。我们使用这种学习手指AFM探针研究细胞的物理特征。我们关注衰老和癌症,因为这些可能是最有趣和最具挑战性的话题。

  来自AZoNetwork的Vimeo癌细胞和细胞老化物理学。

  击败衰老是我们想象不到的事情,因为即使你想到一些最疯狂的科幻小说,也几乎没有人类永生的描述,因为人们不知道如何处理这个问题。

  例如,老化是否已预编程是一个悬而未决的问题。我们不知道。有许多生物化学理论来定义衰老是什么。生物学本质上是生物化学。这些天我们可以研究物体的物理特性,尤其是小规模的细胞水平细胞。要做到这一点,你需要像手指,AFM探针这样的东西,因为它提供物理接触,是研究物理信息的必要条件。

  当你这样做时,你首先要学习细胞和减去的机制;他们对外部负载,压力,刮擦甚至搔痒的反应能力如何。几乎是一个笑话,我们遇到了一个有趣的现象。当我们开始使用尖锐的AFM探针戳癌症和正常细胞(人宫颈上皮细胞)时,癌细胞开始爬行,而正常细胞保持静止。

  用扫描电子显微镜(SEM)成像的AFM悬臂触摸人宫颈上皮细胞的拼贴画。

  如果使用暗沉的探针或球体,两种细胞类型都可以。它几乎就像癌细胞不喜欢搔痒或类似的东西。这是我们尚未发表的观察结果。我们仍然不知道为什么他们这样做。这只是我们对癌症物理学知之甚少的一个例子。

  人们也不知道癌症是什么,无论是开关还是突变,正如人们普遍认为的那样。从物理角度来看,它实际上是未知的,我认为力显微镜是唯一能够对细胞进行全面研究的技术,包括细胞体的力学和细胞周围层的物理特性。

  您开发了哪些新模式来使用AFM来研究活细胞和材料/聚合物的机械性能?

  一种模式称为FT-nanoDMA。 FT代表傅立叶变换。有不同的方法可以测量细胞力学,但其中一种非常自然;按下一个单元并开始以不同的频率振动探头,然后测量响应。

  通常,它是按顺序完成的。你以一个频率振动,然后以另一个频率震动,而另一个频率振动,依此类推。这需要时间。但细胞还活着,它不是非常适合测量,因为它不断变化。

  我们所做的只是一次性发送所有这些振动频率。它导致了相当快的测量。 AFM探针和样品之间的接触面积基本保持不变,这对于定量测量至关重要。我们的估计表明,测量速度增加了近两个数量级。

  它与空间分辨率有类似的改进;我们发现分辨率几乎增加了一百倍。分辨率高出一百倍是一个相当大的差异;例如,它是光学和电子显微镜之间的差异。

  SEM和AFM图像的比较。 AFM图像(底部)是用SEM(顶部图像)成像的细胞的缩放区域。

  我们在一年多前发表了这篇文章。实际实施需要一些额外的硬件来存在AFM。目前,它由NanoScience Solutions,Inc。商业化。

  现在,就在两天前,我收到了接受另一篇描述另一种AFM模式的论文的通知。当你从样品表面断开AFM探针(你的学习手指)时,你通常会拉出一些分子和一点点表面。所有这些信息都在那里。

  然而,之前,该信息被滤除了,因为它在现有的子谐振分接模式中被视为噪声。我们所做的是在过滤掉信息之前对其进行处理。它需要将一些新的更快的电子设备连接到现有的AFM。所以它已经在布鲁克AFM上完成,但它应该适用于所有AFM,甚至是旧的。结果比我们预期的要好得多。

  与现有的子谐振分接模式相比,我们可以记录多达八个新的信息通道,速度更快,伪像更少。此模式也已由NanoScience Solutions,Inc。商业化。

  这是一个非常新的和有希望的模式。我们目前正与医疗合作者一起将其应用于癌症检测。

  你必须克服哪些主要挑战?

  我们不得不面对技术和社会/心理方面的挑战。关于技术挑战,原子力显微镜是一种相当年轻的技术。虽然它已有近30年的历史,但它已经过了所有新技术的相同阶段。

  最初,有很多兴奋,滥用技术,以及最初兴趣泡沫的破灭。现在它已经慢慢开始成为普遍接受的方法。不过,它需要大量的学习,而这正是学生必须做好准备的地方。用AFM拍照只是一件大事;它只是记录AFM探针和样品表面之间的力相互作用。

  但是,如果您不知道它可能是哪种力,那么您可能会得到一些假象和不正确的结果。这是最大的困难。 AFM它不仅仅是一种按钮技术。您必须解释获得的图像。当然,有时会有一些简单的案例,但如果你真的处于这种技术的前沿,那就很困难了。

  第二个困难涉及研究和教育。有趣的是教育和研究是如何结合在一起的。两者都在不断变化五年或十年前,情况有所不同。在美国,如果你处于终身职位,你必须为钱而战。你必须写资助申请和文件。很难找到时间去学习新的东西,去实验室自己做。

  因此,您通常严重依赖学生。但他们有自己的议程,即获得博士学位。如果他们看到一种新的或更复杂的方法与传统发布的方法相比,他们会尝试绕过它以获得更快的结果。如果教授坚持认为,他们可能会说“我试过并且效果不好”,然后他们使用更简单的方法,而教授根本没有时间自己做。

  这就是为什么流行的方法是最简单的方法。这是AFM的问题,因为它捕获了如此多的复杂性 - 您实际上从交互中获得直接信息,甚至是纳米级的原子相互作用。你得到千兆字节的数据。如果你真的想要处理所有这些数据,那么它需要大量的知识和对所观察内容的解释。这就是我认为这会减慢对这种技术的普遍接受程度。

  怎么能克服这个?

  我认为这只是心理上的。

   有些人会意识到,要通过这种技术获得好处,你需要投入更多的时间。另一方面,该技术不断发展并变得更加用户友好。

  现在,我可以比较布鲁克的几款新AFM,例如自动汽车变速器。您不需要具备驾驶标准车的知识。很多人喜欢它。学习起来感觉更快。就个人而言,我喜欢一些调整,但与此同时,我讨厌驾驶一辆非自动驾驶汽车。

  我认为随着时间的推移,人们肯定会得到一个真正用户友好的AFM。然而,纳米尺度力的知识的物理和需求仍然存在,并将永远存在。你需要真正学习和理解测量的内容,这仍然是一个难题。

  您能否概述一下如何使用nanoDMA研究粘弹性?

  您只需用预定义的力推动表面以形成一些接触区域,然后,您可以使用几个频率振荡探头。现在,我们使用十个频率,这对于许多应用来说已经足够了。

  点击这里查看布鲁克的原子力显微镜

  相关故事布鲁克发布的用于成像光学清除样品的MuVi SPIM光片技术AFM的AFMProbing活细胞的生物学应用我们可以做更多。它仍然是关于平衡硬件成本和您需要同时分析的频率。这种基于频率的方法是与模型无关的方法,用于表征材料,特别是像细胞这样的软材料。

  频率范围目前从单赫兹到500赫兹。最大频率由先前的聚合物研究确定。对于聚合物,有一个大型信息数据库,其粘弹性能高达300 Hz,具有金标准。有一些迹象表明,进入非常高的频率可能会很有趣。还有其他人正在研究高频粘弹性测量,但我认为低频非常重要,特别是对于生物学。例如,它对于细胞来说非常重要,因为它们很柔软,并且不喜欢在兆赫频率下摇动。

  AFM如何直接推进或帮助您的研究?

  AFM不仅可以测量力学和物理相互作用,还可以测量电性能,摩擦学,并测量表面的耐久性等。

  AFM与扫描探针显微镜相同,是一系列不同的技术。虽然我们使用了很多技术,但我不知道任何其他技术能够获得关于表面的大量各种信息。我会说这是我最喜欢的技术,虽然我们使用许多不同的技术来研究分子在表面上的自组装以及细胞和组织的特性。

  我最近开始研究类器官,这是一种非常流行的方法。这是因为,例如,当您观察肿瘤时,甚至不清楚哪些细胞是癌细胞,哪些不是。这在单细胞水平上几乎不可能识别。如果你观察培养皿中的细胞(体外),它们在固体基质上以2维分离。它可能与真正的器官有很小的关系。

  如今人们做了什么,他们已经开始用明确定义的细胞构建一种胚胎/器官种子。这种种子被称为召唤类器官。所有细胞都是已知的。遗传构成是众所周知的。你知道哪些细胞是正常的,哪些是癌细胞。这是体内和体外两个世界之间的桥梁。

  会议的重要性,例如AFM BioMed会议,对您和AFM研究界有何重要意义?

  这非常重要,因为教授们很忙,而且要阅读所有论文,很难对边界和社区中的情况有一个很好的认识。

  点击此处了解有关AFM BioMed的更多信息

  人们不会发布负面结果,但在会议上,你至少可以提及它。从学习的角度来看,负面结果可能更具教育性而非积极性。此外,您可以直接提问,这非常重要。

  最后,在这样的会议中,您可以让人们相信值得研究一种特定的方法。也许这很难,但值得。由于此类会议涉及教授和学生,教授们还有更多的动力让学生更深入地进行调查。当然,个人关系对我们所有人都很重要,它也促进了合作。

  在线会议适合持续的合作,但如果您正在考虑新事物,则需要个人会议。此外,这对学生来说非常重要。有时,学生与教授和同龄人等合作者非常接近,但当他们开始看世界时,他们通常会激励他们。因此,这些会议对他们来说非常重要。

  会议一般非常重要,尤其是生物医学应用中的力显微镜。生物医学领域在它被创建之后立即成为力显微镜领域的第一名。然而,由于存在许多困难,到目前为止还没有原子力显微镜的医学应用。

  我认为对这些会议进行组织是非常重要的,因为我们正在努力帮助催生这一领域的医疗应用。我正在努力与医生合作,我看到它有多难。它不仅涉及不同的词汇,它是一个不同的宇宙,不同的范式和不同的目标。

  为了有效地传达在医疗领域使用AFM的巨大好处,我们需要定义一个可能对医学特别有意义的主题。这类会议是讨论这些主题的好地方,可能是由AFM社区认可的。

  你看到或希望看到AFM在未来五年内的发展方向是什么?您认为AFM的下一件大事是什么?

  可能会有更快的电子设备,更复杂的算法和更加用户友好的界面。提高速度是讨论中最有趣的部分之一,减去;力显微镜是否会像实时视频一样快?我认为它会,但它将限制应用,而不是所有样品。

  其次,AFM探针的控制也非常重要。接触表面的探针通常通过反馈来控制。例如,在反馈系统扫描期间,作用在探头和表面之间的负载力保持恒定。目前,与处理反馈控制的社区中使用的控制反馈系统相比,控制反馈系统相当基本。

  现在是控制系统更加复杂的时候了。结果,力显微镜的速度将大大增加,同时,它将保留样品。我认为未来AFM将实施新的控制措施。

  读者可以在哪里找到更多信息?

  有关Sokolov教授研究的更多信息,请访问:http://engineering.tufts.edu/me/people/sokolov/

  有关AFM BioMed的更多信息,请访问:http://www.afmbiomed.org/

  有关布鲁克AFM的更多信息:https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes.html

  关于Igor Sokolov教授

  Igor Sokolov获得了他的B.S. 1984年在俄罗斯圣彼得堡国立大学获得物理学博士学位,并获得博士学位。来自D.I.门捷列夫中央计量研究所苏维埃标准局(俄罗斯国家标准与技术研究院),1991年,俄罗斯。1992年,他是E.L.的接收者。斯坦福大学的Ginzton国际奖学金获得原子力显微镜研究。

  Igor曾在多伦多大学物理和化学系担任研究助理,之后于2000年搬到克拉克森大学加入他们的物理系,在那里他获得了正教授的称号,并担任纳米工程和生物技术实验室中心的主任。现在他是塔夫茨大学教授和Bernard M. Gordon高级教职研究员。在他的职业生涯中,他为许多大公司提供咨询服务,如宝洁公司,通用电气公司,阿科玛集团公司和普渡制药公司。

  他拥有150多种评论出版物,包括Nature,Nature Nanotechnology,Nature Methods,Advanced Materials等期刊。他拥有20项专利(已发布和待批)。伊戈尔目前的研究重点是软材料,分子和细胞的纳米力学;原子力显微镜;纳米光子学,以及对癌症性质的理解,基于改变的生物物理特性的癌症早期检测的研究;自组装。

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