Au cours des dernières décennies, diverses méthodes ont été développées avec succès pour mesurer les forces d’adhésion cellulaire. Actuellement, plusieurs technologies de pointe telles que la microscopie à force de traction (TFM), les pincettes 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, qui entravent notre capacité à comprendre de manière globale la mécanobiologie. De plus, la technique MTFM est gênée par la nature stochastique du photoblanchiment des fluorophores.

Par conséquent, il est essentiel de développer une nouvelle technique capable de mesurer avec précision les forces d’adhésion cellulaire sans marqueur fluorescent. Ceci est crucial pour faire progresser le domaine de la mécanobiologie.

Un 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 appliqué une technologie de détection quantique sans étiquette pour mesurer la force cellulaire à l'échelle nanométrique. Cela surmonte les limites des appareils de force cellulaire traditionnels et offre de nouvelles perspectives dans l'étude de la mécanique cellulaire, y compris l'influence des forces d'adhésion cellulaire sur 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. Comparé aux méthodes de mesure de la force cellulaire utilisant des sondes fluorescentes, le 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 de la comparaison des forces d'adhésion cellulaire sur divers échantillons.

La nouvelle méthode change fondamentalement la manière d’étudier des questions importantes telles que les interactions cellule-cellule ou cellule-matériau, avec des implications significatives pour la biophysique et l’ingénierie biomédicale. Les résultats ont été publiés dans Science Advances , dans un article intitulé "Microscopie de tension moléculaire au diamant améliorée par quantum pour quantifier les forces cellulaires."

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 longitudinale du NV. Les propriétés quantiques uniques des spins des électrons centraux NV dans le diamant constituent la base fondamentale de la sensibilité et de la précision sans précédent du QDMTM.

Le caractère unique de cette innovation réside dans l'utilisation d'un « transducteur de force » qui est un polymère sensible à la force, capable de convertir des signaux mécaniques en signaux magnétiques. En mesurant les changements du temps de relaxation de spin NV provoqués par le bruit magnétique, les forces d'adhérence exercées par les cellules sur le « transducteur de force » peuvent être déterminées. Les techniques de mesure existantes sont incapables 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 réussi à différencier les cellules dans divers états d'adhésion et ont découvert que l'ampleur des forces cellulaires dans différentes régions cellulaires correspondait aux découvertes précédentes.

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 massif aux particules de diamant à l'échelle nanométrique, ce qui permettra de mesurer les forces cellulaires dans toutes les directions.