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研究人员使用纳米粒子测量活体动物的癌细胞力学

密歇根州立大学,约翰·霍普金斯大学和斯坦福大学的研究人员合作开发了一种首创的基于纳米粒子的体内成像技术,有一天可能用于帮助诊断甚至治疗癌症。

该技术捕获了活体的机械特性,从而探究了物理学与体内(活生物体)生物学之间的基本关系。结果发表在《今日材料》杂志上。

密西根州立大学生物医学工程副教授布莱恩·史密斯(Bryan Smith)与同事合作开发了微小颗粒,这些微小颗粒一旦进入活细胞,就可以揭示有关细胞结构的重要信息,包括肿瘤细胞在形成肿瘤时如何发生物理变化。

史密斯说:“我们首次设计了测量和量化活体动物体内各个活细胞纳米机械性能的能力。”

在今年早些时候的一项研究中,史密斯和他的团队设计了有助于“消灭”动脉粥样硬化的纳米颗粒,动脉粥样硬化会导致心脏病发作。这些颗粒选择性地进入免疫系统细胞,称为巨噬细胞,传递一种指示细胞吞噬有害噬菌斑的药物。

现在,史密斯和他的同事们创造了一种使用不同纳米颗粒的技术,该纳米颗粒可以嵌入活体动物的各种细胞类型中,包括癌性乳腺癌细胞。分析颗粒在细胞内的移动方式可以揭示许多有关其内部物理特性的信息。

史密斯说:“以前没有一种方法可以检查具有高空间分辨率的活体(例如哺乳动物)的机械性能。” 这种技术有望为疾病的诊断和治疗开辟全新的研究途径。”

已知生物组织的机械特性在许多疾病状态(包括心脏病,炎症和癌症)以及正常生理(例如细胞迁移和生物发育)中起主要作用。在当前的研究中,Smith和他的团队使用纳米颗粒首先比较了培养细胞(标准2-D和3-D)和活体动物之间的机械性能。

追踪纳米颗粒的运动表明,观察细胞的环境极大地影响了它们的机械性能-这可能意味着某些细胞模型可能不是活体动物的有效代表。

史密斯说:“这告诉对癌症力学感兴趣的癌症科学家,二维条件可能很难复制,某些3-D条件与模仿活老鼠体内的条件实质上更接近。”

实验的下一部分将研究癌细胞开始形成肿瘤时其内部结构实际上发生了什么。先前的方法无法回答这个问题,因为它们过于侵入性,无法在活着的受试者中进行测试。

再次,观察细胞内纳米颗粒的运动,研究小组测量了细胞的“顺应性”或柔软度。重要的是,他们发现正常细胞的柔韧性在一段时间内保持稳定,但是随着癌细胞在一周内形成肿瘤,它们会变硬。

“我们发现,随着活体小鼠中肿瘤的形成,单个肿瘤细胞会机械硬化。这是一项基本发现,最终可能会影响癌症扩散(转移)和肿瘤致死率,”史密斯说。“通过整合我们和我们的合作伙伴实验室的最新成像和粒子跟踪技术,这项发现成为可能。”

该研究在医学中有许多有希望的应用。其中之一就是简单地评估哪种细胞培养方法足以像活生物体一样提供有意义的信息。另一个方法是测量活生物体中常见生物学功能(包括器官发育)的细胞机械特性。

史密斯说,也许最令人兴奋的应用可能是在疾病的诊断和治疗中。纳米颗粒可用于监测细胞的健康状况以及它们在疾病过程中经历的变化类型,甚至可以改变这种过程。

史密斯和他的同事计划研究癌症转移的形成和传播,这些转移导致大约90%的癌症死亡。

他说:“我希望有一天我们能够治疗转移的物理学。” “但是,我们必须首先了解其机理以及改变它们如何影响细胞行为。我们现在正在对此进行研究。”

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