Les chercheurs de Tufts ont mis au point une nouvelle façon d'étudier les propriétés des cellules à des résolutions et à une vitesse sans précédent, leur permettant d'examiner plus précisément, par exemple, les différences entre les cellules cancéreuses et les cellules saines. La technique pourrait conduire à des tests de diagnostic plus rapides et plus précis pour une gamme de maladies ou même offrir un aperçu de la façon dont nous vieillissons.

En utilisant une combinaison de technologies de spectroscopie existantes, Igor Sokolov, professeur de génie mécanique et biomédical, et le chercheur postdoctoral Maxim Dokukin a généré des données mécaniques à partir de tissus et d'autres types de matériaux biologiques « mous » à des résolutions jusqu'à 100 fois supérieures aux méthodes actuelles. La recherche a été publiée cet été dans Rapports scientifiques , une revue en libre accès éditée par le groupe qui produit la revue La nature . Le travail a été financé principalement par la National Science Foundation.

Sokolov compare l'avancement de la nouvelle technique à la différence entre le microscope optique, inventé au XVIe siècle, et le microscope électronique à balayage, développé en 1931. Avec une lunette optique, vous pouvez voir des objets à peu près de la taille d'un gros virus, environ 200 à 300 nanomètres. Microscopes électroniques à balayage, par contre, peut imager des objets aussi petits que 1 à 20 nanomètres, de la taille des grosses molécules de l'ADN. Mais ils ne sont pas utiles avec des matières organiques, dit Sokolov.

L'appareil inventé par l'équipe de Sokolov, qu'ils appellent FT-nanoDMA, parce qu'il utilise la spectroscopie à transformée de Fourier (FT) et la spectroscopie mécanique dynamique (DMA) jusqu'à l'échelle nanométrique (nano) - peut recueillir avec précision des informations sur les matériaux mous jusqu'à 10-50 nanomètres.

Et il peut le faire rapidement, prendre moins d'une seconde par point de surface pour relayer les propriétés d'une zone de 100 x 100 pixels en quelques heures seulement. Cela est comparé aux 23 jours requis par les technologies existantes concurrentes. La nouvelle technique peut également faire quelque chose que d'autres ne peuvent pas faire :étudier les propriétés mécaniques dynamiques de cellules individuelles. C'est à cette échelle « où de nouvelles choses se produisent généralement, " dit Sokolov.

La nouvelle approche donne aux chercheurs des informations sur la mécanique des matériaux mous, comme les protéines qui composent notre peau et nos cheveux et de longues chaînes de molécules appelées polymères, qui se produisent naturellement ou sont fabriqués. La nouvelle méthode mesure une caractéristique connue sous le nom de viscoélasticité - la capacité d'un matériau à s'étirer sous pression et à rebondir à une vitesse définie - pensez à Silly Putty par rapport à un élastique.

Les données obtenues pourraient être utilisées pour évaluer les propriétés des cellules malignes et des cellules saines, avec un potentiel de développement rapide, tests de diagnostic précis, dit Sokolov. Une meilleure compréhension des propriétés mécaniques d'autres types de cellules pourrait également faire la lumière sur les maladies vasculaires et rénales, Alzheimer, les cataractes et même le processus de vieillissement, pour n'en nommer que quelques-uns, il dit.

Un Saint Graal de la nanomécanique

Considérez comment les cellules de la peau changent avec l'âge. "Ils deviennent considérablement plus rigides, " dit Sokolov. " Pouvons-nous voir des différences détaillées dans les caractéristiques biomécaniques des cellules ? Pouvons-nous réparer la rigidité des vieilles cellules pour la ramener au niveau jeune ?"

Les chercheurs mesurent généralement la viscoélasticité en testant des matériaux à différentes fréquences, ou taux de vibrations. Les scientifiques parcourent ces fréquences une par une, comme cliquer sur les chaînes de télévision avec une télécommande, et examiner les propriétés mécaniques à chaque « station ». La percée de l'équipe de Sokolov est survenue lorsqu'ils ont trouvé un moyen d'utiliser tout le spectre des fréquences. Ils ont décidé, « Pourquoi ne pas les essayer tous en même temps ? »

Cela n'avait pas été fait avant, Sokolov dit, parce que "vous auriez une diaphonie, " ou des interférences entre les fréquences. " Il a fallu sept ans pour comprendre comment on pouvait le faire, mais nous avons maintenant un appareil qui le fait avec précision."

Bien que la nouvelle méthode soit à la pointe de la technologie – Sokolov l'appelle « le Saint Graal de la nanomécanique » – il lui manque une caractéristique normalement associée aux innovations de haute technologie :un prix élevé. C'est parce que le groupe de technologies que leur appareil utilise, y compris la microscopie à force atomique (AFM), existent depuis 20 ans ou plus. Les utiliser ensemble ne nécessite guère plus qu'un logiciel informatique supplémentaire pour synchroniser les différentes technologies. « Il peut facilement être mis en œuvre dans les AFM existants pour un coût modéré et devrait avoir un impact immédiat, " dit Sokolov.

La microscopie à force atomique en était une, sinon le, outil majeur responsable de l'émergence des nanotechnologies, note Sokolov, qui utilise l'AFM depuis plus de deux décennies. En développant cette nouvelle technique d'imagerie, lui et ses collègues ont élargi la portée de l'AFM, allowing it to quantify new characteristics of materials at a previously inaccessible scale.

"And it will accomplish this more than 100 times faster, " Sokolov adds. "This will open a new dimension in characterization of mechanical properties of soft materials."