Bir hücrenin sertliği ya da esnekliği, hücrenin sağlıklı ya da hastalıklı olup olmadığı hakkında çok şey ifade edebilir. Örneğin kanser hücrelerinin normalden daha yumuşak olduğu bilinmektedir. Astıma bağlı hücreler ise oldukça sert olabilir.
Hücrelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi, doktorların bazı hastalıkların ilerleme hızını teşhis etmelerine ve hastalığın seyrini izlemelerine yardımcı olabilir. Bunu yapmaya yönelik güncel yöntemler, hücreleri doğrudan invaziv bir şekilde temas haline getiren atomik kuvvet mikroskopları ve optik cımbız gibi pahalı aletlerle doğrudan hücreleri araştırmaya yönlendirmektedir.
Şimdi MIT mühendisleri hücrenin mekanik özelliklerini sadece gözlemle değerlendirmenin mümkün olabileceğini keşfettiler.
Araştırmacılar, bir hücrenin katılık değerini çözmek için kullanılacak hücrenin parçacık-anlatım hareketlerinin sabit, titrek hareketlerinde sıfıra eşit standart konfokal mikroskopi kullanmaktadırlar.
Optik cımbızın aksine, bir hücreyi değiştiren veya zarar veren teknik içerik girişimsel değildir.
Kaşık İle Karıştırmak
1905 yılında Albert Einstein doktora tezi ile, Stokes-Einstein denklemi olarak bilinen ve bu maddedeki parçacıkların hareketini gözlemleyip ölçerek bir maddenin mekanik özelliklerini hesaplamayı mümkün kılan bir formül elde etti.
Burada önemli nokta: Malzeme “dengede” olmalıdır. Yani herhangi bir parçacığın hareketi, parçacıklara etki eden herhangi bir dış kuvvet yerine malzemenin sıcaklığının etkisinden kaynaklanmalıdır.
Guo, “Dengeyi sıcak bir fincan kahve olarak algılarsınız” diyor. “Kahve sıcaklığı tek başına şeker dağılmasına neden olabilir.
Şimdi kahveyi bir kaşıkla karıştırırsanız, şeker daha çabuk erir. Ancak sistem yalnızca sıcaklığa dayanmaz. Aynı zamanda artık denge halindedir. Çevrenizi değiştiriyorsunuz, enerji vererek tepkiyi daha hızlı hale getiriyorsunuz. “
Bir hücre içinde, mitokondri ve lizozomlar gibi organeller, hücrenin sıcaklığına tepki olarak sürekli olarak hafifçe sallanırlar.
Bununla birlikte, Guo “Çevredeki sitoplazmayı karıştıran protein ve moleküller gibi “çok sayıda minik kuş” da var. Sıklıkla, titreşen organelleri bilardo topları gibi aktif olarak itiyor.” diyor.
Hücredeki sürekli hareket bulanıklığı, bilim insanlarının hangi hareketlerin sıcaklığa bağlı olduğunu ve daha aktif olan “kaşık benzeri” hangi süreçlerden kaynaklandığını basitçe bakarak ayırt etmelerini zorlaştırdı.
Guo, bu kısıtlamanın “temelde bir hücrenin mekanik özelliklerini ölçmek için Einstein’ın denklemini ve gözlemini kullanmanın kapısını kapattığını” belirtti.
Kare Kare
Guo ve Gupta, hücreye çok dar bir zaman aralığı içinde bakarak sıcaklığa dayalı hareketi dışarı çıkarmanın bir yolu olabileceğini düşünüyorlardı. Onlar sadece sıcaklık ile enerjilenen parçacıkların sürekli bir sarsılma hareketi sergilediğini fark ettiler.
Sıcaklığa dayalı bir parçacığa baktığınızda nasıl olduğunun önemi yoktur. Çünkü devamlı hareket halindedir.
Buna karşın, bir parçacığı bir hücrenin sitoplazması çevresinde çalan aktif süreçler, yalnızca zaman zaman bunu yapar. Bu tür aktif hareketleri gözlemlemek için, daha uzun bir zaman aralığında bir hücreye bakmanız gerekir.
Hipotezlerini test etmek için, araştırmacılar kolay ve hızlı bir şeklde büyüme kabiliyetleri olduğu için seçtikleri insan melanoma hücreleri ile bir dizi kanser hücresi üzerinde deneyler yaptılar.
Her hücrenin içine küçük polimer parçacıkları enjekte ettiler. Daha sonra hareketlerini standart bir konfokal flüoresan mikroskopu altında izlediler.
Ayrıca tuzu hücre çözeltisine sokarak hücrelerin sertliğini de değiştirdiler. Bu işlem hücreyi sudan çekerek sıkıştırıp sertleştiren bir işlemdir.
Araştırmacılar hücrelerin videolarını farklı çerçeve hızlarında kaydetti. Parçacıkların hareketlerinin hücre sertliği ile nasıl değiştiğini gözlemledi.
Hücreleri saniyede 10 kare’den daha yüksek frekanslarda izlediklerinde çoğunlukla yerinde titreşen parçacıklar gördüler. Bu titreşimlerin yalnızca sıcaklıktan kaynaklandığı anlaşıldı.
Sadece daha yavaş kare hızlarında, sitoplazmadaki daha geniş mesafelerde parçacıklar çeken daha aktif, rastgele hareketler tespit ettiler.
Her video için bir parçacığın yolunu izlediler. Parçacıkların ortalama seyahat mesafesini hesaplamak için geliştirdikleri bir algoritmayı uyguladılar.
Daha sonra bu hareket değerini Stokes-Einstein denkleminin genelleştirilmiş bir formatına aktardılar.
Guo ve Gupta, optik cımbız kullanarak yaptıkları gerçek ölçümlerle rijitlik hesaplamalarını karşılaştırdılar. Onların hesaplamaları, yalnızca saniyede 10 karelik frekanslarda yakalanan parçacıkların hareketini kullandıklarında ölçümlerle eşleşti.
Guo, bu durumun yüksek frekanslarda meydana gelen parçacık hareketlerinin gerçekten sıcaklık tarafından yönlendirildiğini gösterdiğini belirtti.
Ekibin bulduğu sonuçlar, araştırmacıların hücreleri yeterli sayıda çerçeve hızıyla gözlemlemesi durumunda sıcaklığın tamamen tahrik ettiği parçacık hareketlerini izole edip ortalama kaymayı hesaplayabileceklerini gösteriyor.
Bir hücrenin sertliğini hesaplamak için doğrudan Einstein’ın denklemine eklenebilecek bir değer belirlemek bunun için yeterli olacak. Guo, “İnsanlar hücrelerin mekanik özelliklerini ölçmek isterlerse onları izleyebilirler” diyor.
Ekip şimdi, yeni bir noninvaziv tekniği, kanser, astım ve bir hastalık ilerledikçe hücre özelliklerinin değiştiği diğer koşullarla ilgili hücreleri incelemek isteyen Massachusetts Genel Hastanesi’ndeki doktorlarla birlikte çalışıyor.
Guo, “İnsanlar yapının değiştiği konusunda fikir sahibi. Ancak doktorlar bu durumu bir değişiklik olup olmadığını kesin verilerle gösterm ek için, teşhis ettikleri hastalıklar için belirleyici olarak kullanmak isterler.”diyor.
