Questo lavoro fornisce una metodologia per eseguire misurazioni automatiche della forza su centinaia di cellule viventi utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). Fornisce anche un metodo per immobilizzare i microbi su un timbro microstrutturato PDMS compatibile con gli esperimenti AFM condotti in un ambiente liquido.
Bio-AFM è una tecnologia altamente specializzata concepita per applicazioni in biologia e poi utilizzata per studiare le cellule viventi. Richiede un ingegnere addestrato in grado di analizzare una cella alla volta. In queste condizioni, il numero di cellule diverse che possono essere analizzate è piuttosto piccolo, tipico da 5 a 10 cellule in 4-5 ore. Tuttavia, la quantità di misurazioni della forza registrate su una singola cella è solitamente molto alta e può facilmente raggiungere 1000. Pertanto, l'attuale paradigma delle misurazioni della forza AFM sulle cellule viventi è registrare centinaia di curve di forza (HC) ma su un numero limitato di cellule.
Statisticamente, questo approccio è discutibile e solleva la questione della rappresentatività del campione. In effetti, è difficile, ad esempio, valutare l'eterogeneità di una popolazione cellulare misurando solo poche cellule, anche se su queste poche cellule vengono registrate centinaia di misurazioni. Tuttavia, è sulla base di questo paradigma che sono stati fatti importanti progressi in biofisica, microbiologia e nanomedicina1,2,3. Infatti, l'analisi nanometrica su scala di singole cellule ha fornito nuove informazioni sulla nanomeccanica cellulare, sull'organizzazione delle proteine transmembrana, o sul meccanismo d'azione dei farmaci antimicrobici o anticancro4,5,6,7. Recentemente, tuttavia, sono emersi diversi test biomeccanici ad alta produttività condottisu cellule 8, che mostrano l'interesse della comunità scientifica a cambiare questo paradigma e ad accedere all'eterogeneità della popolazione cellulare. Tutti questi test si basano su sistemi microfluidici per deformare le cellule e misurarne otticamente la deformazione sotto stress per ottenere una misura indiretta della loro elasticità superficialecomplessiva 8. Tuttavia, una questione importante con questi metodi è che sono mono-parametrici: solo l'elasticità cellulare può essere sondata. Inoltre, non consentono la misurazione dei parametri meccanici delle cellule aderenti, che possono essere limitanti per gli studi di cellule di mammifero non circolanti o biofilm, ad esempio.
Gli approcci che coinvolgono AFM sono stati sviluppati dai team di S. Scheuring9 e M. Favre10. cellule immobilizzate su modelli di fibronectina9,costringendo le singole cellule a prendere la forma del modello9. Quindi questo team ha mappato le proprietà meccaniche di alcune celle per definire i dati medi, rappresentativi da 14 a 18 celle. Lo sviluppo effettuato da Farve et al. Per quanto ne siamo a conoscenza, questo lavoro nella direzione del multiplexing non ha portato a misurazioni su cellule viventi.
Un approccio interessante proposto dal team di Dujardin presenta un AFM automatizzato in grado di identificare le cellule e di identificarle nella parte inferiore di pozzi su misura. Sebbene questo metodo non consenta l'analisi di una grande popolazione di cellule, consente il test automatico di condizioni diverse in ogni pozzo11.
Il nostro obiettivo in questo lavoro è più ambizioso poiché volevamo misurare almeno 1000 cellule per accedere non a una cellula media, ma, al contrario, all'eterogeneità tra le cellule. La strategia che abbiamo sviluppato qui per accedere all'eterogeneità della popolazione cellulare usando AFM si basa sull'analisi di centinaia di cellule su cui viene registrato un numero limitato di curve di forza. Rispetto all'approccio "classico" di registrare un gran numero di curve di forza su un numero limitato di celle, questo approccio dovrebbe essere considerato complementare in quanto non fornisce le stesse informazioni. Infatti, mentre il metodo tipico consente di sondare l'eterogeneità della superficie cellulare individuale, utilizzando il nostro approccio, siamo in grado di accedere all'intera eterogeneità della popolazione cellulare. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo combinato un metodo che immobilizza direttamente i microbi (qui la specie di lievito Candida albicans)nei pozzi di un timbro microstrutturato PDMS12, esviluppa un programma originale per spostare la punta AFM, automaticamente, dalla cella allacella 13 e misurare le proprietà meccaniche di ogni cellula.