Mikroskopi Kuantum Baru yang Disempurnakan Mengungkap Rahasia Kekuatan Seluler
Alat penginderaan kuantum baru, Quantum-Enhanced Diamond Molecular Rigidity Microscopy (QDMTM), yang dikembangkan oleh tim dari Universitas Hong Kong dan Universitas Sichuan, secara tepat mengukur gaya adhesi seluler, meningkatkan pemahaman kita tentang mekanika sel dan membantu penelitian kanker.
Para peneliti di HKU Engineering mengembangkan teknik pencitraan gaya seluler terobosan menggunakan mikroskop penginderaan kuantum berbasis berlian.
Proyek ini, yang dipimpin oleh Profesor Zhiqin Chu dari Departemen Teknik Listrik dan Elektronik di Universitas Hong Kong (HKU), dan Profesor Qiang Wei dari Universitas Sichuan, menggunakan teknologi penginderaan kuantum bebas label untuk mengukur gaya seluler di skala nanoKemajuan ini melampaui keterbatasan alat ukur gaya seluler tradisional dan memberikan wawasan baru ke dalam mekanika seluler, khususnya mengenai bagaimana gaya adhesi seluler memengaruhi penyebaran sel kanker.
Tim peneliti telah mengembangkan Mikroskopi Tegangan Molekuler Berlian yang Ditingkatkan Kuantum (QDMTM) baru yang menawarkan pendekatan efektif untuk mempelajari gaya adhesi sel. Dibandingkan dengan metode pengukuran gaya sel yang menggunakan probe fluoresensi, QDMTM memiliki potensi untuk mengatasi tantangan seperti photobleaching, sensitivitas terbatas, dan ambiguitas dalam interpretasi knowledge. Lebih jauh lagi, sensor QDMTM dapat dibersihkan dan digunakan kembali, sehingga meningkatkan ketepatan membandingkan kekuatan adhesi sel di berbagai sampel.
Diagram skematik yang mengilustrasikan desain QDMTM. Panel kiri menunjukkan prinsip kerja mikroskop berlian kuantum bidang lebar. Sisipan menunjukkan bagaimana gaya seluler yang diberikan dapat diukur dengan mengukur pusat NV. Panel kanan menunjukkan mekanisme penginderaan gaya yang tepat. Antena MW: antena gelombang mikro; OBJ: objektif; DM: cermin dikroik. Kredit: Universitas Hong Kong
Metode baru ini secara mendasar mengubah cara mempelajari isu-isu penting seperti interaksi sel-sel atau sel-material, dengan implikasi yang signifikan bagi biofisika dan rekayasa biomedis. Temuan ini telah dipublikasikan di Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
Latar Belakang Penelitian
Sel bergantung pada interaksi dan pertukaran informasi yang konstan dengan lingkungan mikronya untuk memastikan kelangsungan hidup dan menjalankan fungsi biologisnya. Oleh karena itu, kuantifikasi yang tepat dari gaya adhesi sel yang sangat kecil, mulai dari pikonewton hingga beberapa nanonewton, sangat penting untuk memahami seluk-beluk modulasi gaya dalam sel.
Profesor Zhiqin Chu (kanan) dan Feng Xu (kiri), penulis pertama makalah penelitian. Kredit: Universitas Hong Kong
Selama beberapa dekade terakhir, berbagai metode telah berhasil dikembangkan untuk mengukur gaya adhesif seluler. Saat ini, beberapa teknologi terkemuka seperti mikroskopi gaya traksi (TFM), penjepit optik/magnetik, dan mikroskopi fluoresensi berbasis tegangan molekuler (MTFM) banyak digunakan untuk mengukur gaya seluler.
Namun, teknik-teknik ini memiliki keterbatasan penting dalam hal sensitivitas dan interpretasi knowledge, yang menghambat kemampuan kita untuk memahami mekanobiologi secara komprehensif. Selain itu, teknik MTFM terhalang oleh sifat stokastik dari pemutihan foto fluorofor. Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan teknik baru yang dapat mengukur gaya adhesif sel secara akurat dengan cara bebas label fluoresensi. Hal ini penting untuk memajukan bidang mekanobiologi.
Deteksi yang ditunjukkan terhadap gaya tarikan sel yang melekat. Tiga sel tipikal, yaitu (A) sel yang menyebar dengan baik, (B) sel yang kurang menyebar, dan (C) sel yang saling bersentuhan dipilih untuk menunjukkan pengukuran: dua kolom pertama menunjukkan gambar cahaya yang ditransmisikan dan gambar bertanda yang sesuai; kolom ketiga menunjukkan pemetaan T1 dan kolom terakhir menunjukkan profil garis, seperti yang ditandai pada kolom ke-2 dan ke-3, dari nilai T1 di seluruh badan sel. (D) Nilai T1 berubah di space sel yang dipilih. Kredit: Universitas Hong Kong
Metode dan temuan penelitian
Tim peneliti mengembangkan QDMTM dengan menggabungkan ekstensi polimer (bertindak sebagai transduser gaya) yang disebabkan oleh gaya seluler dengan waktu relaksasi longitudinal NV. Sifat kuantum unik dari spin elektron pusat NV pada berlian berfungsi sebagai dasar elementary untuk sensitivitas dan presisi QDMTM yang belum pernah ada sebelumnya.
Ekstraksi gaya seluler yang dibantu simulasi dari pemetaan T1. (A) Skema menunjukkan mannequin yang disederhanakan: lapisan pusat NV didistribusikan secara acak di bawah permukaan atas membran berlian dengan kedalaman dan kepadatan tetap; lapisan kompleks Gd3+ yang melekat pada PEG bertindak sebagai bak putar yang berfluktuasi secara acak; dua lapisan yang disebutkan di atas dipisahkan oleh molekul PEG seperti pegas dan ekstensi yang disebabkan oleh gaya dijelaskan oleh mannequin Rantai Seperti Cacing. Space persegi panjang merah mewakili space penginderaan minimal yang diadopsi (600 nm × 600 nm). (B) Hubungan yang disimulasikan antara gaya seluler dan nilai T1. Peta ekstensi PEG yang diekstraksi (C), dan peta gaya traksi seluler (D) dari badan sel dalam satu sel yang dipilih (yang sama pada Gambar 6B). Sisipan adalah tampilan yang diperbesar dari space persegi panjang yang dipilih. (E) Profil gaya sepanjang garis biru yang digambar pada Gambar 7D. Arah gaya seluler yang diberikan pada polimer PEG adalah regular terhadap permukaan berlian. Kredit: Universitas Hong Kong
Keunikan inovasi ini terletak pada pemanfaatan “transduser gaya” yang merupakan polimer responsif gaya, yang mampu mengubah sinyal mekanis menjadi sinyal magnetik. Dengan mengukur perubahan waktu relaksasi spin NV yang disebabkan oleh derau magnetik, gaya adhesif yang diberikan oleh sel pada “transduser gaya” dapat ditentukan. Teknik pengukuran yang ada tidak dapat mengukur sinyal magnetik stokastik secara efektif pada skala nano.
Teknik QDMTM yang inovatif menawarkan pendekatan yang efektif untuk mempelajari gaya adhesi sel. Melalui penelitian mereka, para peneliti berhasil membedakan sel-sel dalam berbagai kondisi adhesi dan menemukan bahwa besarnya gaya seluler di berbagai wilayah sel selaras dengan temuan sebelumnya. Hal ini menunjukkan bahwa metode QDMTM mampu mengukur gaya adhesi sel secara akurat. Tahap berikutnya dari penelitian mereka berfokus pada perluasan sensor kuantum dari berlian curah ke partikel berlian skala nano, yang akan memungkinkan pengukuran gaya sel ke segala arah.
Referensi: “Mikroskopi tegangan molekul berlian yang ditingkatkan kuantum untuk mengukur kekuatan seluler” oleh Feng Xu, Shuxiang Zhang, Linjie Ma, Yong Hou, Jie Li, Andrej Denisenko, Zifu Li, Joachim Spatz, Jörg Wrachtrup, Hai Lei, Yi Cao, Qiang Wei dan Zhiqin Chu, 24 Januari 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adi5300
