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Le cellule vibranti rivelano i loro disturbi
Unendo fisica, ingegneria e microbiologia, i ricercatori del MIT hanno misurato la frequenza con cui vibrano i globuli rossi e hanno dimostrato che tali frequenze riflettono la salute delle cellule. La ricerca potrebbe portare a una migliore diagnostica medica.
Cellule vibranti: Michael Feld e Subra Suresh del MIT, con l'aiuto di una tecnica sviluppata nel laboratorio di Feld, sono stati in grado di visualizzare le vibrazioni della membrana di una cellula del sangue infettata dal parassita della malaria (in alto). La tecnica di Feld ha anche fornito immagini dell'interno delle cellule (in basso), consentendo ai ricercatori di correlare le frequenze vibrazionali delle cellule con il progresso della malattia.
Il lavoro è stato eseguito in collaborazione tra il fisico del MIT Michele Campo e Subra Suresh , preside della scuola di ingegneria del MIT e scienziato dei materiali. Feld dirige il Laser Biomedical Research Center del MIT, che ha sviluppato una tecnica di imaging in grado di creare immagini tridimensionali di cellule viventi. Il laboratorio di Suresh ha condotto esperimenti per misurare cose come la rigidità dei globuli rossi infettati dai parassiti della malaria.
Un globulo rosso ha attività elettrica, chimica e biologica al suo interno, che provoca vibrazioni su scala nanometrica sulla sua superficie. Per misurare le frequenze vibrazionali delle cellule, i ricercatori hanno combinato la tecnica di imaging di Feld con la microscopia di fase di diffrazione, in cui un raggio laser che passa attraverso una cellula si ricongiunge a un raggio di riferimento che non lo fa, creando uno schema di interferenza distintivo. Per stabilire la connessione tra la vibrazione delle cellule e la loro salute, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica di Feld per creare immagini tridimensionali di un parassita della malaria all'interno di un globulo rosso. Hanno anche misurato i livelli di emoglobina all'interno delle cellule durante le varie fasi di un'infezione malarica.
Questa cosa non è mai stata fatta prima, dice Ares Rosakis , professore di aeronautica e ingegneria meccanica presso il California Institute of Technology. Ridurre le tecniche ottiche al livello [nanoscala] è estremamente impegnativo. (Rosakis non era coinvolto nel lavoro, sebbene uno dei suoi ex studenti laureati lo fosse.)
Rosakis vede due usi per le nuove tecniche. Uno è migliorare i modelli computerizzati delle cellule, perché le misurazioni di Feld e Suresh sono molto più accurate delle misurazioni precedenti. L'altro è una migliore diagnostica. I Centri statunitensi per il controllo delle malattie (CDC) rilevano che il test principale per la malaria attualmente non funziona per la malaria acuta : può riconoscere la malattia solo a posteriori. Alla fine, una tecnica come quella di Feld e Suresh potrebbe fornire un modo per rilevare la malaria mentre si manifesta. Pensa al futuro di un medico o anche di un tecnico non addestrato che ha [la tecnologia] costruita all'interno di un microscopio commerciale e ... che ottiene istantaneamente una lettura sullo stato della malattia, dice Rosakis.
Suresh osserva che era raro per gli ingegneri meccanici lavorare sulla biologia cellulare, e ancora più raro farlo con i fisici. Ma lui e Feld non hanno bisogno di lasciare l'edificio per collaborare, dice.
I due hanno iniziato a lavorare insieme circa due anni e mezzo fa, dopo che Feld ha invitato Suresh a tenere un discorso sul lavoro che il suo laboratorio stava facendo sulle cellule della malaria. Dopo il discorso di Suresh, i due hanno deciso di unire le forze e gli strumenti per misurare la velocità con cui vibrano i globuli rossi sani e malati.
Hanno scelto le cellule malariche a causa dell'esperienza di Suresh nel lavorare con loro, ma significava che il laboratorio di Feld doveva essere riadattato per soddisfare gli standard di biosicurezza di livello 2 del CDC. Quel progetto è stato guidato da uno dei ricercatori del team di Suresh, Monica Diez-Silva, l'unico microbiologo di entrambi i gruppi.
Ci vogliono 48 ore perché un invasore malarico attraversi il suo ciclo di vita, sviluppandosi, riproducendosi e venendo espulso dalla cellula. I ricercatori hanno quindi dovuto valutare le cellule infette da ogni fase di quel processo di 48 ore, a temperature che simulassero la febbre e il raffreddamento che il corpo umano sperimenta durante un'infezione malarica.
Le membrane cellulari vibranti si muovono di pochi nanometri alla volta e questi movimenti avvengono in microsecondi, milionesimi di secondo. Per acquisire i dati dal raggio laser che passa attraverso le cellule, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica di imaging di Feld, che unisce più immagini in un composito. La tecnica è una specie di tomografia, il principio che sta alla base delle scansioni di tomografia computerizzata (TC).
Rosakis afferma che l'imaging con schemi di interferenza è particolarmente impegnativo quando si osservano i globuli rossi, che sono a forma di ciambella e fluidi, che cambiano costantemente forma in tutte le direzioni.
La prima serie di esperimenti di Suresh e Feld ha richiesto quasi otto mesi, comprese settimane e settimane per assemblare le immagini 3D dei parassiti all'interno delle cellule. Quindi decisero di esaminare i livelli di emoglobina, che richiedevano anche mesi. Hanno trascorso quasi sei mesi a scrivere i risultati, che saranno pubblicati nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze questa settimana.
Suresh afferma che la ricerca dovrebbe applicarsi a qualsiasi altro tipo di cellule viventi. Lui e Feld vogliono esaminare i globuli rossi con l'anemia falciforme e forse le cellule cancerose, anche se sarà più difficile studiare le cellule che hanno un nucleo.
Le tecniche di Suresh e Feld non possono ancora essere utilizzate per diagnosticare le malattie, ma Suresh afferma che il loro lavoro costituisce la base scientifica per misurare la malattia a livello cellulare.