Un nouvel outil de détection quantique, la microscopie de tension moléculaire au diamant à amélioration quantique (QDMTM), développé par des équipes de l'Université de Hong Kong et de l'Université du Sichuan, mesure avec précision les forces d'adhésion cellulaire, améliorant ainsi notre compréhension de la mécanique cellulaire et aidant la recherche sur le cancer.
Des chercheurs de HKU Engineering développent une technique révolutionnaire d'imagerie de force cellulaire utilisant un microscope de détection quantique à base de diamant.
Le projet, dirigé par le professeur Zhiqin Chu du département de génie électrique et électronique de l'université de Hong Kong (HKU) et le professeur Qiang Wei de l'université du Sichuan, a utilisé la technologie de détection quantique sans marquage pour mesurer la force cellulaire au niveau du cerveau. échelle nanométriqueCette avancée dépasse les limites des outils traditionnels de mesure de la force cellulaire et fournit de nouvelles perspectives sur la mécanique cellulaire, notamment sur la manière dont les forces d’adhésion cellulaire affectent la propagation des cellules cancéreuses.
L'équipe de recherche a développé une nouvelle microscopie de tension moléculaire au diamant à amélioration quantique (QDMTM) qui offre une approche efficace pour étudier les forces d'adhésion cellulaire. Par rapport aux méthodes de mesure de la force cellulaire qui utilisent des sondes fluorescentes, la QDMTM a le potentiel de surmonter des défis tels que le photoblanchiment, la sensibilité limitée et l'ambiguïté dans l'interprétation des données. De plus, les capteurs QDMTM peuvent être nettoyés et réutilisés, améliorant ainsi la précision absolue précision de comparer les forces d’adhésion cellulaire à travers divers échantillons.
Diagramme schématique illustrant la conception du QDMTM. Le panneau de gauche montre le principe de fonctionnement du microscope quantique à diamant à champ large. L'encart montre comment les forces cellulaires exercées peuvent être quantifiées en mesurant les centres NV. Le panneau de droite montre le mécanisme exact de détection de force. Antenne MW : antenne micro-ondes ; OBJ : objectif ; DM : miroir dichroïque. Crédit : Université de Hong Kong
Cette nouvelle méthode modifie fondamentalement la manière d'étudier des questions importantes telles que les interactions cellule-cellule ou cellule-matériau, avec des implications importantes pour la biophysique et l'ingénierie biomédicale. Les résultats ont été publiés dans Progrès scientifiques.
Contexte de la recherche
Les cellules dépendent d’une interaction et d’un échange d’informations constants avec leur microenvironnement pour assurer leur survie et remplir leurs fonctions biologiques. Par conséquent, la quantification précise des minuscules forces d’adhésion cellulaire, allant des piconewtons à quelques nanonewtons, est essentielle pour comprendre les subtilités de la modulation des forces dans les cellules.
Le professeur Zhiqin Chu (à droite) et Feng Xu (à gauche), premier auteur de l'article de recherche. Crédit : Université de Hong Kong
Au cours des dernières décennies, diverses méthodes ont été développées avec succès pour mesurer les forces d'adhérence cellulaire. Actuellement, plusieurs technologies de pointe telles que la microscopie à force de traction (TFM), les pinces optiques/magnétiques et la microscopie à fluorescence basée sur la tension moléculaire (MTFM) sont largement utilisées pour mesurer les forces cellulaires.
Cependant, ces techniques présentent des limites notables en termes de sensibilité et d'interprétation des données, ce qui entrave notre capacité à comprendre la mécanobiologie de manière exhaustive. De plus, la technique MTFM est entravée par la nature stochastique du photoblanchiment par fluorophore. Il est donc essentiel de développer une nouvelle technique capable de mesurer avec précision les forces d'adhésion cellulaire sans marquage fluorescent. Cela est essentiel pour faire progresser le domaine de la mécanobiologie.
Détection démontrée des forces de traction des cellules adhérentes. Trois cellules typiques, à savoir (A) la cellule bien étalée, (B) la cellule moins étalée et (C) les cellules en contact cellule-cellule ont été choisies pour démontrer les mesures : les deux premières colonnes montrent les images de lumière transmise et les images marquées correspondantes ; la troisième colonne montre la cartographie T1 et la dernière colonne montre le profil de ligne, tel qu'indiqué dans les 2e et 3e colonnes, de la valeur T1 à travers le corps cellulaire. (D) Les valeurs T1 changent dans des zones sélectionnées de cellules. Crédit : Université de Hong Kong
Méthodes de recherche et résultats
L'équipe de recherche a développé le QDMTM en combinant l'extension du polymère (agissant comme un transducteur de force) induite par les forces cellulaires avec le temps de relaxation longitudinal du NV. Les propriétés quantiques uniques des spins électroniques centraux du NV dans les diamants servent de base fondamentale à la sensibilité et à la précision sans précédent du QDMTM.
Extraction assistée par simulation des forces cellulaires à partir de la cartographie T1. (A) Les schémas montrent le modèle simplifié : une couche de centres NV est distribuée aléatoirement sous la surface supérieure de la membrane de diamant avec une profondeur donnée et une densité fixe ; une couche de complexes Gd3+ attachés au PEG agit comme un bain de spin fluctuant aléatoirement ; les deux couches susmentionnées sont séparées par des molécules de PEG en forme de ressort et leur extension induite par la force est décrite par le modèle de chaîne en forme de ver. La zone rectangulaire rouge représente la zone de détection minimale adoptée (600 nm × 600 nm). (B) La relation simulée entre les forces cellulaires et la valeur T1. La carte d'extension du PEG extraite (C) et la carte de force de traction cellulaire (D) du corps cellulaire dans une cellule choisie (la même que celle de la Fig. 6B). L'insert est la vue agrandie de la zone rectangulaire sélectionnée. (E) Profil de force le long de la ligne bleue tracée sur la Fig. 7D. La direction de la force cellulaire exercée sur le polymère PEG est normale à la surface du diamant. Crédit : Université de Hong Kong
La particularité de cette innovation réside dans l’utilisation d’un « transducteur de force » qui est un polymère sensible à la force, capable de convertir les signaux mécaniques en signaux magnétiques. En mesurant les variations du temps de relaxation du spin NV causées par le bruit magnétique, il est possible de déterminer les forces d’adhérence exercées par les cellules sur le « transducteur de force ». Les techniques de mesure existantes ne permettent pas de mesurer efficacement les signaux magnétiques stochastiques à l’échelle nanométrique.
La technique innovante QDMTM offre une approche efficace pour étudier les forces d'adhésion cellulaire. Grâce à leur étude, les chercheurs ont pu différencier avec succès les cellules dans divers états d'adhésion et ont constaté que l'ampleur des forces cellulaires dans différentes régions cellulaires correspondait aux résultats précédents. Cela suggère que la méthode QDMTM est capable de mesurer avec précision les forces d'adhésion cellulaire. La prochaine phase de leurs recherches se concentre sur l'extension du capteur quantique du diamant en vrac aux particules de diamant à l'échelle nanométrique, ce qui permettra de mesurer les forces cellulaires dans n'importe quelle direction.
