Protocolo de ensayo de cizallamiento para la determinación de las propiedades del material unicelular
19 de mayo de 2023
Este protocolo describe la cuantificación de las propiedades mecánicas de líneas celulares cancerosas y no cancerosas in vitro. Las diferencias conservadas en la mecánica de las células cancerosas y normales pueden actuar como un biomarcador que puede tener implicaciones en el pronóstico y el diagnóstico.
Las características físicas del cáncer son temas relativamente nuevos y emocionantes en la investigación del cáncer. Nuestra investigación busca caracterizar específicamente las propiedades mecánicas tanto de los cánceres como de las células no cancerosas para comprender mejor los mecanismos físicos por los cuales las células cancerosas sobreviven a las fuerzas de cizallamiento en el cuerpo e invaden el sistema inmunológico. El desarrollo reciente en mi período de investigación es el uso de dispositivos microfluídicos y técnicas de alto rendimiento para estudiar a mayor escala, la deformabilidad celular y las propiedades viscoelásticas de las células, y también en la identificación de nuevos biomarcadores como la regulación de proteínas citoesqueléticas y proteínas de matriz extracelular para el diagnóstico temprano del cáncer.
Los desafíos experimentales actuales involucrados en este campo son la complejidad del microambiente tumoral, el rendimiento de escala, la traducción clínica, la estandarización y reproducibilidad, y la integración de datos multimodales. Entonces, algunos de los hallazgos significativos que he establecido en este campo de mi investigación anterior y de mi investigación actual es que las células cancerosas se pueden distinguir de las células normales en función de sus respuestas a los factores estresantes mecánicos. Y la medida en que resisten los estresores mecánicos depende de la integridad estructural, que está dictada en una medida razonable por la presencia de proteínas citoesqueléticas como la actina filamentosa y otras proteínas estructurales dentro de la célula.
Nuestro protocolo ofrece un enfoque simple, repetible y no destructivo para caracterizar mecánicamente las células cultivadas. Esto contrasta con otras técnicas como AFM y pinzas ópticas, que requieren un cierto nivel de experiencia técnica para realizar un experimento en un rendimiento relativamente bajo. Dentro del uso de la técnica de ácido de cizallamiento, avanzará en gran medida la caracterización mecánica de una sola célula, y también ayudará en muchas áreas transversales diferentes, como el diagnóstico de enfermedades raras, el diagnóstico y la atención personalizados, y el monitoreo de las interacciones farmacológicas unicelulares.
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Descripción general
Este protocolo describe la cuantificación de las propiedades mecánicas de líneas celulares cancerosas y no cancerosas in vitro. Comprender estas diferencias mecánicas puede proporcionar información sobre el pronóstico y diagnóstico del cáncer.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Mecánica celular
- Investigación del cáncer
- Desarrollo de biomarcadores
Antecedentes
- Los rasgos físicos del cáncer son fundamentales para comprender el comportamiento tumoral.
- La caracterización de las propiedades mecánicas ayuda a identificar cómo las células cancerosas sobreviven e invaden.
- Los dispositivos microfluídicos y las técnicas de alto rendimiento son herramientas emergentes en este campo de investigación.
- Los desafíos incluyen la complejidad del microentorno tumoral y la traducción clínica.
Objetivo del estudio
- Cuantificar las propiedades mecánicas de células cancerosas frente a células no cancerosas.
- Explorar la deformabilidad celular y las propiedades viscoelásticas.
- Identificar nuevos biomarcadores para el diagnóstico temprano del cáncer.
Métodos Utilizados
- Cuantificación de propiedades mecánicas utilizando dispositivos microfluídicos.
- Evaluación de las respuestas celulares a tensiones mecánicas.
- Análisis de la regulación de las proteínas del citoesqueleto y de la matriz extracelular.
- Técnicas de alto rendimiento para estudios a gran escala.
Resultados principales
- Las células cancerosas exhiben respuestas mecánicas distintas en comparación con las células normales.
- La resistencia al estrés mecánico está relacionada con la integridad del citoesqueleto.
- Identificación de proteínas estructurales que influyen en la mecánica celular.
- Información sobre posibles biomarcadores para el diagnóstico del cáncer.
Conclusiones
- Las propiedades mecánicas pueden servir como biomarcadores para el cáncer.
- Comprender la mecánica celular es crucial para la investigación del cáncer.
- Los estudios futuros deben centrarse en superar los desafíos experimentales actuales.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La evaluación cuantitativa de las propiedades mecánicas a nivel de célula individual aborda un vacío crítico en la biología del cáncer al permitir mediciones estandarizadas y reproducibles de fenotipos biomecánicos. Esta capacidad apoya la reducción de riesgos mecanicistas y la validación de dianas en las primeras etapas del descubrimiento en oncología, aportando información clave tanto para el desarrollo de biomarcadores como para la selección de carteras. La integración de lecturas biofísicas robustas en los flujos de trabajo de I+D mejora la confianza predictiva en la selección de sistemas relevantes para la enfermedad y en las decisiones tempranas de avance o interrupción.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la interrogación directa de la biomecánica celular como fenotipo funcional para la validación de objetivos.
- Apoya la reducción de riesgos mecanicistas al distinguir células malignas de no malignas según sus propiedades viscoelásticas.
- Facilita la identificación de biomarcadores biofísicos vinculados a la regulación del citoesqueleto y de la matriz extracelular.
- Proporciona datos cuantitativos para orientar la confianza predictiva en modelos relevantes para la enfermedad.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Proporciona ensayos estandarizados y repetibles a nivel de célula individual, adecuados para flujos de trabajo de cribado posteriores.
- Genera salidas cuantitativas de tensión y deformación para un desarrollo robusto de ensayos.
- Permite la comparación reproducible de los efectos de compuestos sobre la mecánica celular en entornos de alto rendimiento.
- Apoya la escalabilidad de la plataforma y la comparabilidad entre estudios mediante análisis de correlación digital de imágenes.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Relaciona lecturas biofísicas con estrategias traslacionales de biomarcadores para el diagnóstico temprano del cáncer.
- Proporciona continuidad desde los conocimientos mecanicistas en fase de descubrimiento hasta la selección de modelos preclínicos.
- Permite un avance ajustado al riesgo mediante la vinculación de fenotipos mecánicos con estados de progresión de la enfermedad.
- Apoya el monitoreo de interacciones de fármacos a nivel de célula individual, relevantes para enfoques de medicina personalizada.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
Este protocolo de ensayo de cizallamiento se integra en la interfaz entre el descubrimiento inicial y la identificación de compuestos activos, proporcionando un flujo de trabajo estandarizado para cuantificar la mecánica celular y apoyar investigaciones traslacionales posteriores.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de hipótesis sobre el papel de la integridad del citoesqueleto en la supervivencia y la invasión de células cancerosas.
- Selección: Proporciona datos cuantitativos y reproducibles de deformación y tensión para la preparación de ensayos y la evaluación de compuestos.
- Análisis: Ofrece salidas de correlación digital de imágenes y ajustes de modelos viscoelásticos para comparaciones estadísticas rigurosas.
- Investigación Traducional: Relaciona los fenotipos mecánicos con el desarrollo de biomarcadores y la evaluación de la progresión de la enfermedad.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma escalable y no destructiva para su uso repetido en diversos tipos celulares y modelos de enfermedades.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de objetivos.
- Valor operativo: Mejora la estandarización, la reproducibilidad y el rendimiento en ensayos mecánicos a nivel de célula individual.
- Valor estratégico: Mejora las decisiones iniciales de avance o interrupción del proyecto y la eficiencia del capital al permitir cribados biofísicos robustos.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización y el avance ajustados al riesgo de activos en oncología basados en fenotipos funcionales.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en microfluídica, correlación digital de imágenes y modelado viscoelástico.
- Exige acceso a bombas de jeringa programables, microscopía invertida y software de análisis DIC.
- Necesita estandarización entre equipos en los protocolos de configuración del ensayo y análisis de datos.
- Adaptable a diversos tipos celulares, aunque puede requerir optimización para diferentes modelos de enfermedades.
- El rendimiento y la integración con datos multimodales siguen siendo consideraciones prácticas para estudios a gran escala.
