$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Dit werk biedt een methodiek om met behulp van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) automatische krachtmetingen uit te voeren op honderden levende cellen. Het biedt ook een methode om microben te immobiliseren op een PDMS-microgestructureerde stempel die compatibel is met AFM-experimenten die in een vloeibare omgeving worden uitgevoerd.
Bio-AFM is een zeer gespecialiseerde technologie die is ontworpen voor toepassingen in de biologie en vervolgens wordt gebruikt om levende cellen te bestuderen. Het vereist een getrainde ingenieur die één cel tegelijk kan analyseren. In deze omstandigheden is het aantal verschillende cellen dat kan worden geanalyseerd vrij klein, typisch 5 tot 10 cellen in 4-5 uur. De hoeveelheid krachtmetingen die op een enkele cel zijn geregistreerd, is echter meestal erg hoog en kan gemakkelijk 1000 bereiken. Het huidige paradigma van AFM-krachtmetingen op levende cellen is dus het registreren van honderden krachtcurven (FCs) maar op een beperkt aantal cellen.
Statistisch gezien is deze benadering twijfelachtig en roept de kwestie van de representativiteit van de steekproef op. Het is bijvoorbeeld moeilijk om de heterogeniteit van een celpopulatie te evalueren door slechts een paar cellen te meten, zelfs als er honderden metingen op deze paar cellen worden geregistreerd. Het is echter op basis van dit paradigma dat er grote vooruitgang is geboekt op het gebied van biofysica, microbiologie en nanogeneeskunde1,2,3. Inderdaad, nanometeranalyse op de schaal van enkele cellen heeft nieuwe informatie opgeleverd over cellulaire nanomechanica, over de organisatie van transmembrane-eiwitten of het werkingsmechanisme van antimicrobiële of antikankergeneesmiddelen4,5,6,7. Onlangs zijn echter verschillende biomechanische tests met hoge doorvoer op cellen naar voren gekomen8, waaruit blijkt dat de wetenschappelijke gemeenschap geïnteresseerd is in het veranderen van dit paradigma en toegang tot de heterogeniteit van de celpopulatie. Deze tests zijn allemaal gebaseerd op microfluïdische systemen om cellen te vervormen en optisch hun vervorming onder spanning te meten om een indirecte meting van hun totale oppervlakteelasticiteit te verkrijgen8. Een belangrijk probleem met deze methoden is echter dat ze monoparametrisch zijn: alleen celelasticiteit kan worden onderzocht. Bovendien staan ze het meten van de mechanische parameters van aanhangende cellen niet toe, wat beperkend kan zijn voor de studies van niet-circulerende zoogdiercellen of biofilms bijvoorbeeld.
Door de teams van S. Scheuring9 en M. Favre10zijn benaderingen met afm ontwikkeld. Scheuring et al. geïmmobiliseerde cellen op fibronectinepatronen9, waardoor individuele cellen de vorm van het patroon moesten aannemen9. Vervolgens bracht dit team de mechanische eigenschappen van een paar cellen in kaart om gemiddelde gegevens te definiëren, representatief voor 14 tot 18 cellen. De door Farve c.s. uitgevoerde ontwikkeling was gericht op het multiplexen van de metingen door parallel te lopen met de AFM-vrijdragende10. Voor zover wij weten heeft dit werk in de multiplexing richting niet geleid tot metingen op levende cellen.
Een interessante aanpak voorgesteld door het team van Dujardin presenteert een geautomatiseerde AFM die cellen kan identificeren en in beeld kan brengen aan de onderkant van op maat gemaakte putten. Hoewel deze methode geen analyse van een grote populatie cellen mogelijk maakt, maakt het het mogelijk om automatisch verschillende omstandigheden in elke put te testen11.
Ons doel in dit werk is ambitieuzer, omdat we ten minste 1000 cellen wilden meten om toegang te krijgen tot geen gemiddelde cel, maar integendeel de heterogeniteit tussen cellen. De strategie die we hier hebben ontwikkeld om toegang te krijgen tot celpopulatie heterogeniteit met behulp van AFM is gebaseerd op de analyse van honderden cellen waarop een beperkt aantal krachtcurves wordt geregistreerd. In vergelijking met de "klassieke" benadering van het registreren van een groot aantal krachtcurven op een beperkt aantal cellen, moet deze benadering als complementair worden beschouwd, aangezien deze niet dezelfde informatie verschaft. Inderdaad, hoewel de typische methode het mogelijk maakt om individuele celoppervlak heterogeniteit te onderzoeken, met behulp van onze aanpak, zijn we in staat om toegang te krijgen tot de volledige celpopulatie heterogeniteit. Om dit doel te bereiken, hebben we een methode gecombineerd die microben (hier de gistsoort Candida albicans) direct immobiliseert in de putten van een PDMS microgestructureerde stempel12, en ontwikkelt een origineel programma voor het automatisch verplaatsen van de AFM-tip van cel naar cel13 en het meten van de mechanische eigenschappen van elke cel.