Protocollo di saggio di taglio per la determinazione delle proprietà dei materiali a singola cellula
19 maggio 2023
Questo protocollo delinea la quantificazione delle proprietà meccaniche di linee cellulari cancerose e non cancerose in vitro. Le differenze conservate nella meccanica delle cellule cancerose e normali possono agire come un biomarcatore che può avere implicazioni nella prognosi e nella diagnosi.
Le caratteristiche fisiche del cancro sono argomenti relativamente nuovi ed eccitanti nella ricerca sul cancro. La nostra ricerca cerca di caratterizzare specificamente le proprietà meccaniche sia dei tumori che delle cellule non tumorali per comprendere meglio i meccanismi fisici con cui le cellule tumorali sopravvivono alle forze di taglio nel corpo e invadono il sistema immunitario. Lo sviluppo recente nel mio periodo di ricerca è l'uso di dispositivi microfluidici e tecniche ad alto rendimento per studiare su larga scala, la deformabilità cellulare e le proprietà viscoelastiche delle cellule, e anche nell'identificazione di nuovi biomarcatori come la regolazione delle proteine citoscheletriche e delle proteine della matrice extracellulare per la diagnosi precoce del cancro.
Le attuali sfide sperimentali coinvolte in questo campo sono la complessità del microambiente tumorale, la produttività di scala, la traduzione clinica, la standardizzazione e la riproducibilità e l'integrazione di dati multimodali. Quindi, alcuni dei risultati significativi che ho stabilito in questo campo dalla mia ricerca passata e dalla mia ricerca attuale è che le cellule tumorali possono essere distinte dalle cellule normali in base alle loro risposte ai fattori di stress meccanici. E la misura in cui resistere ai fattori di stress meccanici dipende dall'integrità strutturale, che è dettata in misura ragionevole dalla presenza di proteine citoscheletriche come l'actina filamentosa e altre proteine strutturali all'interno della cellula.
Il nostro protocollo offre un approccio semplice, ripetibile e non distruttivo per caratterizzare meccanicamente le cellule in coltura. Questo è in contrasto con altre tecniche come AFM e pinzette ottiche, che richiedono un certo livello di competenza tecnica per eseguire un esperimento in un throughput relativamente basso. Nell'ambito dell'uso della tecnica dell'acido di taglio, farà avanzare notevolmente la caratterizzazione meccanica a singola cellula e aiuterà anche in molte diverse aree trasversali come la diagnosi delle malattie rare, la diagnosi e la cura personalizzate e il monitoraggio delle interazioni farmacologiche a singola cellula.
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Panoramica
Questo protocollo descrive la quantificazione delle proprietà meccaniche di linee cellulari tumorali e non tumorali in vitro. Comprendere queste differenze meccaniche può fornire informazioni utili per la prognosi e la diagnosi del cancro.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Meccanica cellulare
- Ricerca sul cancro
- Sviluppo di biomarcatori
Sfondo
- I tratti fisici distintivi del cancro sono fondamentali per comprendere il comportamento tumorale.
- La caratterizzazione delle proprietà meccaniche aiuta a identificare come le cellule tumorali sopravvivono e si diffondono.
- I dispositivi microfluidici e le tecniche ad alto rendimento rappresentano strumenti emergenti in questo settore di ricerca.
- Le sfide includono la complessità del microambiente tumorale e la traduzione clinica.
Scopo dello studio
- Quantificare le proprietà meccaniche di cellule cancerose rispetto a quelle non cancerose.
- Esplorare la deformabilità cellulare e le proprietà viscoelastiche.
- Identificare nuovi biomarcatori per la diagnosi precoce del cancro.
Metodi Utilizzati
- Quantificazione delle proprietà meccaniche mediante dispositivi microfluidici.
- Valutazione delle risposte cellulari agli stress meccanici.
- Analisi della regolazione delle proteine del citoscheletro e della matrice extracellulare.
- Tecniche ad alto rendimento per studi su larga scala.
Risultati principali
- Le cellule tumorali mostrano risposte meccaniche distinte rispetto alle cellule normali.
- La resistenza allo stress meccanico è legata all'integrità del citoscheletro.
- Identificazione di proteine strutturali che influenzano la meccanica cellulare.
- Informazioni su potenziali biomarcatori per la diagnosi del cancro.
Conclusioni
- Le proprietà meccaniche possono fungere da biomarcatori per il cancro.
- Comprendere la meccanica cellulare è fondamentale per la ricerca sul cancro.
- Studi futuri dovrebbero concentrarsi sul superamento delle attuali sfide sperimentali.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La valutazione quantitativa delle proprietà meccaniche delle singole cellule colma un'importante lacuna nella biologia del cancro, consentendo misurazioni standardizzate e riproducibili dei fenotipi biomeccanici. Questa capacità supporta la riduzione del rischio meccanicistica e la validazione degli obiettivi nelle fasi iniziali della scoperta oncologica, fornendo indicazioni sia per lo sviluppo di biomarcatori sia per la selezione del portafoglio. L'integrazione di letture biofisiche affidabili nei flussi di Ricerca e Sviluppo migliora la sicurezza predittiva nella selezione dei sistemi pertinenti alla malattia e nelle decisioni iniziali di proseguimento o interruzione del progetto.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo di Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi diretta della biomeccanica cellulare come fenotipo funzionale per la validazione di bersagli.
- Supporta la riduzione del rischio meccanicistica distinguendo cellule maligne da quelle non maligne in base alle proprietà viscoelastiche.
- Semplifica l'identificazione di biomarcatori biofisici associati alla regolazione del citoscheletro e della matrice extracellulare.
- Fornisce dati quantitativi per informare la previsione della fiducia nei modelli pertinenti alla malattia.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce saggi standardizzati e ripetibili a singola cellula adatti per flussi di lavoro di screening successivi.
- Genera output quantitativi di deformazione e sollecitazione per uno sviluppo robusto dei saggi.
- Consente confronti riproducibili degli effetti di composti sulla meccanica cellulare in contesti ad alto rendimento.
- Supporta la scalabilità della piattaforma e la comparabilità tra studi attraverso l'analisi di correlazione digitale delle immagini.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea letture biofisiche a strategie traslazionali di biomarcatori per la diagnosi precoce del cancro.
- Garantisce continuità dallo stadio di scoperta delle intuizioni meccanicistiche alla selezione di modelli preclinici.
- Permette un avanzamento adeguato al rischio collegando fenotipi meccanici a stati di progressione della malattia.
- Supporta il monitoraggio delle interazioni farmaco-singola cellula rilevanti per approcci di medicina personalizzata.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo protocollo del saggio di taglio si inserisce nell'interfaccia tra la fase iniziale di scoperta e l'identificazione dei composti promettenti, fornendo un flusso di lavoro standardizzato per la quantificazione della meccanica cellulare e supportando ricerche traslazionali successive.
- Biologia della scoperta: Facilita la verifica di ipotesi sul ruolo dell'integrità del citoscheletro nella sopravvivenza e nell'invasione delle cellule tumorali.
- Screening: Fornisce dati quantitativi riproducibili su deformazione e sollecitazione per la valutazione della prontezza del saggio e dei composti.
- Analisi: Fornisce output di correlazione digitale delle immagini e adattamenti a modelli viscoelastici per confronti statistici robusti.
- Ricerca traslazionale: Collega i fenotipi meccanici allo sviluppo di biomarcatori e alla valutazione del decorso della malattia.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma scalabile e non distruttiva per un uso ripetuto su diversi tipi cellulari e modelli di malattia.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione delle target.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione, la riproducibilità e la capacità analitica nei saggi meccanici su singola cellula.
- Valore strategico: Migliora le decisioni iniziali di prosecuzione/cessazione e l'efficienza del capitale consentendo schermature biofisiche robuste.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e lo sviluppo di asset in oncologia basati su fenotipi funzionali, adeguati al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in microfluidica, correlazione digitale delle immagini e modellizzazione viscoelastica.
- Necessita dell'accesso a pompe a siringa programmabili, microscopia invertita e software di analisi DIC.
- Richiede una standardizzazione intersettoriale delle procedure di allestimento del saggio e dei protocolli di analisi dei dati.
- Adattabile a diversi tipi cellulari, ma può richiedere un'ottimizzazione per modelli di malattia differenti.
- La produttività e l'integrazione con dati multimodali rimangono aspetti pratici da considerare negli studi su larga scala.
