Protocolo de ensaio de cisalhamento para a determinação de propriedades de material de célula única
19 de maio de 2023
Este protocolo descreve a quantificação das propriedades mecânicas de linhagens celulares cancerosas e não cancerosas in vitro. Diferenças conservadas na mecânica de células cancerosas e normais podem atuar como um biomarcador que pode ter implicações no prognóstico e diagnóstico.
As características físicas do câncer são tópicos relativamente novos e empolgantes na pesquisa do câncer. Nossa pesquisa busca caracterizar especificamente as propriedades mecânicas de células cancerosas e não-cancerosas para entender melhor os mecanismos físicos pelos quais as células cancerosas sobrevivem às forças de cisalhamento no corpo e invadem o sistema imunológico. Desenvolvimento recente em meu período de pesquisa é o uso de dispositivos microfluídicos e técnicas de alto rendimento para subestudar, em maior escala, a deformabilidade celular e as propriedades viscoelásticas das células, e também na identificação de novos biomarcadores, como a regulação de proteínas do citoesqueleto e proteínas da matriz extracelular para o diagnóstico precoce do câncer.
Os desafios experimentais atuais envolvidos neste campo são a complexidade do microambiente tumoral, escalonamento, tradução clínica, padronização e reprodutibilidade e integração de dados multimodais. Então, algumas das descobertas significativas que estabeleci neste campo de minha pesquisa passada e de minha pesquisa atual é que as células cancerosas podem ser distinguidas das células normais com base em suas respostas a estressores mecânicos. E a extensão em que resistem aos estressores mecânicos é dependente da integridade estrutural, que é ditada em uma extensão razoável pela presença de proteínas do citoesqueleto como a actina filamentosa e outras proteínas estruturais dentro da célula.
Nosso protocolo oferece uma abordagem simples, repetível e não destrutiva para caracterizar células cultivadas mecanicamente. Isso contrasta com outras técnicas, como AFM e pinças ópticas, que exigem um certo nível de conhecimento técnico para realizar um experimento em um rendimento relativamente baixo. Dentro do uso da técnica de ácido de cisalhamento, irá avançar muito a caracterização mecânica de célula única, e também ajudará em muitas áreas transversais diferentes, como diagnóstico de doenças raras, diagnóstico e cuidados personalizados, e monitoramento de interações medicamentosas de célula única.
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Visão Geral
Este protocolo descreve a quantificação das propriedades mecânicas de linhagens celulares cancerígenas e não cancerígenas in vitro. Compreender essas diferenças mecânicas pode fornecer informações sobre o prognóstico e o diagnóstico do câncer.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Mecânica Celular
- Pesquisa sobre Câncer
- Desenvolvimento de Biomarcadores
Contexto
- As características físicas do câncer são fundamentais para compreender o comportamento tumoral.
- A caracterização das propriedades mecânicas auxilia na identificação de como as células cancerosas sobrevivem e invadem.
- Dispositivos microfluídicos e técnicas de alto rendimento são ferramentas emergentes nessa área de pesquisa.
- Os desafios incluem a complexidade do microambiente tumoral e a translação clínica.
Objetivo do Estudo
- Quantificar as propriedades mecânicas de células cancerosas versus não cancerosas.
- Explorar a deformabilidade celular e as propriedades viscoelásticas.
- Identificar novos biomarcadores para o diagnóstico precoce do câncer.
Métodos Utilizados
- Quantificação de propriedades mecânicas utilizando dispositivos microfluídicos.
- Avaliação das respostas celulares a estresses mecânicos.
- Análise da regulação de proteínas do citoesqueleto e da matriz extracelular.
- Técnicas de alto rendimento para estudos em larga escala.
Resultados Principais
- As células cancerígenas exibem respostas mecânicas distintas em comparação com células normais.
- A resistência ao estresse mecânico está ligada à integridade do citoesqueleto.
- Identificação de proteínas estruturais que influenciam a mecânica celular.
- Informações sobre possíveis biomarcadores para o diagnóstico do câncer.
Conclusões
- As propriedades mecânicas podem atuar como biomarcadores para o câncer.
- Compreender a mecânica celular é fundamental para a pesquisa sobre câncer.
- Estudos futuros devem focar em superar os desafios experimentais atuais.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A avaliação quantitativa das propriedades mecânicas de células individuais preenche uma lacuna crítica na biologia do câncer, permitindo a medição padronizada e reprodutível de fenótipos biomecânicos. Essa capacidade apoia a redução de riscos mecanicistas e a validação de alvos nas fases iniciais da descoberta em oncologia, orientando tanto o desenvolvimento de biomarcadores quanto a triagem de portfólios. A integração de leituras biophysicas robustas nos fluxos de P&D aumenta a confiança preditiva na seleção de sistemas relevantes para a doença e nas decisões precoces de avanço ou interrupção.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia e Farmacêuticos
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Permite a investigação direta da biomecânica celular como um fenótipo funcional para validação de alvos.
- Auxilia na redução de riscos mecanicistas ao distinguir células malignas de não malignas com base em propriedades viscoelásticas.
- Facilita a identificação de biomarcadores biofísicos associados à regulação do citoesqueleto e da matriz extracelular.
- Fornece dados quantitativos para embasar a confiança preditiva em modelos relevantes para doenças.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Fornece ensaios padronizados e repetíveis em nível de célula única, adequados para fluxos de trabalho de triagem posteriores.
- Gera saídas quantitativas de tensão e deformação para um desenvolvimento robusto de ensaios.
- Permite comparação reprodutível dos efeitos de compostos sobre a mecânica celular em configurações de alto rendimento.
- Apóia a escalabilidade da plataforma e a comparabilidade entre estudos por meio de análises de correlação digital de imagens.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Alinha leituras biofísicas com estratégias translacionais de biomarcadores para diagnóstico precoce do câncer.
- Proporciona continuidade desde descobertas de mecanismos iniciais até a seleção de modelos pré-clínicos.
- Permite avanço ajustado ao risco ao vincular fenótipos mecânicos a estados de progressão da doença.
- Apoia o monitoramento de interações medicamentosas em nível de célula única, relevantes para abordagens de medicina personalizada.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Este protocolo de ensaio de cisalhamento integra-se na interface entre a fase inicial de descoberta e a identificação de compostos líderes, fornecendo um fluxo de trabalho padronizado para quantificar a mecânica celular e apoiar pesquisas translacionais subsequentes.
- Biologia da Descoberta: Facilita a verificação de hipóteses sobre o papel da integridade do citoesqueleto na sobrevivência e invasão de células cancerígenas.
- Triagem: Fornece dados reprodutíveis e quantitativos de deformação e tensão para prontidão de ensaios e avaliação de compostos.
- Análises: Fornece saídas de correlação digital de imagens e ajustes de modelos viscoelásticos para comparação estatística robusta.
- Pesquisa Translacional: Conecta fenótipos mecânicos ao desenvolvimento de biomarcadores e à avaliação da progressão da doença.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma escalável e não destrutiva para uso repetido em diversos tipos celulares e modelos de doenças.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva e reduz a ambiguidade mecanicista na validação de alvos.
- Valor Operacional: Aprimora a padronização, reprodutibilidade e produtividade em ensaios mecânicos de célula única.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões iniciais de prosseguimento ou interrupção e a eficiência do capital ao permitir triagem biofísica robusta.
- Impacto no Portfólio: Apoia a priorização e o avanço ajustados ao risco de ativos em oncologia com base em fenótipos funcionais.
Considerações de Implementação
- Requer experiência em microfluídica, correlação digital de imagens e modelagem viscoelástica.
- Exige acesso a bombas de seringa programáveis, microscopia invertida e software de análise DIC.
- Necessita padronização entre equipes dos protocolos de montagem do ensaio e de análise de dados.
- Adaptável a diversos tipos celulares, mas pode exigir otimização para diferentes modelos de doenças.
- A produtividade e a integração com dados multimodais permanecem como considerações práticas para estudos em larga escala.
