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Die Untersuchung der biophysikalischen Unterschiede zwischen krebsartigen und nicht-krebsartigen Zellen ermöglicht neue diagnostische und therapeutische Möglichkeiten1. Das Verständnis, wie Unterschiede in der Biomechanik/Mechanobiologie zum Fortschreiten von Tumoren und zur Therapieresistenz beitragen, wird neue Wege für eine zielgerichtete Therapie und Frühdiagnose aufzeigen2.
Während bekannt ist, dass sich die mechanischen Eigenschaften von Krebszellen von denen normaler Zellen unterscheiden (z. B. Viskoelastizität der Plasmamembran und der Kernhülle)3,4,5, fehlen robuste und reproduzierbare Methoden zur Messung dieser Eigenschaften in lebenden Zellen 6. Die Schermethode wird verwendet, um die mechanischen Eigenschaften von Zellen zu quantifizieren, indem einzelne Zellen einer Flüssigkeitsscherbelastung ausgesetzt und ihre individuellen Reaktionen und Beständigkeit gegen die angelegte Belastunganalysiert werden 3,4,5,7,8,9. Obwohl verschiedene Methoden und Techniken verwendet wurden, um die mechanischen Eigenschaften einzelner Zellen zu charakterisieren, neigen diese dazu, die Eigenschaften des Zellmaterials zu beeinflussen, indem sie i) die Zellmembran aufgrund der Eindringtiefe, komplexer Spitzengeometrien oder Substratversteifungen im Zusammenhang mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) perforieren/beschädigen10,11, ii) zelluläre Photoschäden während des optischen Einfangensinduzieren 12, 13 oder iii) Induktion komplexer Stresszustände, die mit der Mikropipettenaspiration verbunden sind14,15. Diese externen Effekte sind mit erheblichen Unsicherheiten in der Genauigkeit von Zellviskoelastizitätsmessungen verbunden 6,16,17.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, bietet die hier beschriebene Schertestmethode einen hochgradig kontrollierbaren und einfachen Ansatz, um den physiologischen Fluss im Körper zu simulieren, ohne dabei die zellulären Materialeigenschaften zu beeinträchtigen. Die Flüssigkeitsscherspannungen in diesem Assay stellen mechanische Belastungen dar, denen Zellen im Körper entweder durch Flüssigkeiten im Tumorinterstitium oder im Blut während der Zirkulation ausgesetzt sind18,19,20. Darüber hinaus fördern diese Flüssigkeitsbelastungen verschiedene bösartige Verhaltensweisen in Krebszellen, darunter Progression, Migration, Metastasierung und Zelltod 19,21,22,23, die zwischen tumorigenen und nicht-tumorigenen Zellen variieren. Darüber hinaus ermöglichen die veränderten mechanischen Eigenschaften von Krebszellen (d. h. sie sind oft "weicher" als normale Zellen, die sich im selben Organ befinden) es ihnen, in feindlichen Tumormikroumgebungen zu überleben, in umliegendes normales Gewebe einzudringen und an entfernte Stellen Metastasen zu bilden24,25,26. Durch die Schaffung einer pseudobiologischen Umgebung, in der die Zellen physiologischen Niveaus von Flüssigkeitsscherstress ausgesetzt sind, wird ein Prozess erreicht, der physiologisch relevant und nicht destruktiv für die Zelle ist. Die zellulären Reaktionen auf diese aufgebrachten Flüssigkeitsscherspannungen ermöglichen es uns, die mechanischen Eigenschaften der Zelle zu charakterisieren.
Dieser Artikel enthält ein Schertestprotokoll für die umfassende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften und des Verhaltens von krebsartigen und nicht-krebsartigen Zellen unter angelegter Scherspannung. Zellen reagieren elastisch und viskos auf äußere Kräfte und können daher als viskoelastisches Material idealisiert werden3. Diese Technik wird kategorisiert in: (i) Zellkultur von dispergierten Einzelzellen, (ii) kontrollierte Anwendung von Flüssigkeitsscherspannung, (iii) In-situ-Bildgebung und Beobachtung des zellulären Verhaltens (einschließlich Beständigkeit gegen Stress und Verformung), (iv) Dehnungsanalyse von Zellen zur Bestimmung des Ausmaßes der Verformung und (v) Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften einzelner Zellen. Durch die Untersuchung dieser mechanischen Eigenschaften und Verhaltensweisen kann die komplexe zelluläre Mechanobiologie zu quantifizierbaren Daten destilliert werden. Ein Protokoll, das diese Methode beschreibt, ermöglicht die Katalogisierung und den Vergleich zwischen verschiedenen malignen und nicht-malignen Zelltypen. Die Quantifizierung dieser Unterschiede hat das Potenzial, diagnostische und therapeutische Biomarker zu etablieren.