La mécanique joue un rôle fondamental dans la biologie cellulaire. Les cellules naviguent dans ces forces mécaniques pour explorer leur environnement et détecter le comportement des cellules vivantes environnantes. Les caractéristiques physiques de l’environnement d’une cellule ont à leur tour un impact sur les fonctions cellulaires. Par conséquent, comprendre comment les cellules interagissent avec leur environnement fournit des informations cruciales sur la biologie cellulaire et a des implications plus larges en médecine, y compris le diagnostic des maladies et le traitement du cancer.
Jusqu’à présent, les chercheurs ont développé de nombreux outils pour étudier l’interaction entre les cellules et leur microenvironnement 3D. L’une des technologies les plus populaires est la microscopie à force de traction (TFM). Il s’agit d’une méthode de pointe pour déterminer les tractions sur la surface du substrat d’une cellule, fournissant des informations importantes sur la façon dont les cellules détectent, s’adaptent et réagissent aux forces. Cependant, l’application de TFM se limite à fournir des informations sur le mouvement de translation des marqueurs sur les substrats cellulaires. Les informations sur d’autres degrés de liberté, tels que le mouvement de rotation, restent spéculatives en raison de contraintes techniques et de recherches limitées sur le sujet.
Des experts en ingénierie de l’Université de Hong Kong ont proposé une nouvelle technique pour mesurer le champ de force de traction cellulaire et combler les lacunes de la recherche. L’équipe de recherche interdisciplinaire était dirigée par le Dr Zhiqin Chu du Département de génie électrique et électronique et le Dr Yuan Lin du Département de génie mécanique. Ils ont utilisé des centres uniques d’azote vacant (NV) dans les nanodiamants (ND) pour proposer une méthode de modulation de polarisation linéaire (LPM) qui peut mesurer à la fois le mouvement de rotation et de translation des marqueurs sur les substrats cellulaires.
L’étude offre une nouvelle perspective sur la mesure du champ de force de traction cellulaire multidimensionnelle et les résultats ont été publiés dans la revue Nano-lettres. La recherche, intitulée « Modulation tout-optique de défauts uniques dans les nanodiamants : Révéler les mouvements de rotation et de translation dans les champs de force de traction cellulaire », est également présentée en couverture supplémentaire de la revue.
La recherche a montré des mesures de haute précision du mouvement de rotation et de translation des marqueurs sur la surface du substrat cellulaire. Ces résultats expérimentaux corroborent les calculs théoriques et les résultats précédents.
Compte tenu de leur photostabilité ultra-élevée, de leur bonne biocompatibilité et de leur modification chimique de surface pratique, les ND fluorescents avec des centres NV sont d’excellents marqueurs fluorescents pour de nombreuses applications biologiques. Les chercheurs ont découvert que, sur la base des résultats de mesure de la relation entre l’intensité de fluorescence et l’orientation d’un centre NV unique par rapport à la direction de polarisation laser, des mesures d’orientation de haute précision et une imagerie sans arrière-plan pouvaient être obtenues.
Ainsi, la méthode LPM inventée par l’équipe aide à résoudre les goulots d’étranglement techniques dans la mesure de la force cellulaire en mécanobiologie, qui englobe des collaborations interdisciplinaires de la biologie, de l’ingénierie, de la chimie et de la physique.
« La majorité des cellules des organismes multicellulaires subissent des forces hautement orchestrées dans l’espace et dans le temps. Le développement d’une microscopie multidimensionnelle de champ de force de traction cellulaire a été l’un des plus grands défis dans ce domaine », a déclaré le Dr Chu.
« Par rapport au TFM conventionnel, cette nouvelle technologie nous fournit un nouvel outil pratique pour étudier la véritable interaction cellule-matrice extracellulaire en 3D. Elle permet de réaliser à la fois des mesures de mouvement de rotation et de translation dans le champ de traction cellulaire et révèle des informations sur la traction cellulaire. vigueur », a-t-il ajouté.
Le principal point fort de l’étude est la capacité d’indiquer à la fois le mouvement de translation et de rotation des marqueurs avec une grande précision. C’est un grand pas vers l’analyse des interactions mécaniques à l’interface cellule-matrice. Il offre également de nouvelles pistes de recherche.
Grâce à des produits chimiques spécialisés à la surface des cellules, les cellules interagissent et se connectent dans le cadre d’un processus appelé adhésion cellulaire. La façon dont une cellule génère une tension pendant l’adhésion a été principalement décrite comme ‘dans le plan.’ Des processus tels que la contrainte de traction, le flux d’actine et la croissance de l’adhérence sont tous connectés et présentent une dynamique directionnelle complexe. La méthode LPM pourrait aider à donner un sens aux couples complexes entourant l’adhérence focale et à séparer différentes charges mécaniques à l’échelle nanométrique (par exemple, les tractions normales, les forces de cisaillement). Cela peut également aider à comprendre comment l’adhésion cellulaire réagit à différents types de stress et comment ceux-ci interviennent dans la mécanotransduction (le mécanisme par lequel les cellules convertissent le stimulus mécanique en activité électrochimique).
Cette technologie est également prometteuse pour l’étude de divers autres processus biomécaniques, notamment l’activation des cellules immunitaires, la formation des tissus, la réplication et l’invasion des cellules cancéreuses. Par exemple, les récepteurs des lymphocytes T, qui jouent un rôle central dans les réponses immunitaires au cancer, peuvent générer des forces extrêmement dynamiques vitales pour la croissance des tissus. Cette technologie LPM de haute précision peut aider à analyser ces dynamiques de force multidimensionnelles et donner un aperçu du développement des tissus.
L’équipe de recherche recherche activement des méthodologies pour étendre les capacités d’imagerie optique et cartographier simultanément plusieurs nanodiamants.
Cet article intitulé ‘All-Optical Modulation of Single Defects in Nanodiamonds: Revealing Rotational and Translational Motions in Cell Traction Force Fields’ est publié dans la revue Nano-lettres et présenté comme couverture supplémentaire. Lien : https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02232
Demandes des médias Mme Celia Lee, Faculté d’ingénierie, HKU (Tél. : 3917 8519 ; E-mail : leecelia@hku.hk) ou Mme Charis Lai, Faculté d’ingénierie, HKU (Tél. : 3917 1924 ; E-mail : chariskc@hku.hk)
