Die Forschung mit mechanik und Physik Vorhersagen könnten, – Erkrankungen, die „stress-out“ – Zellen

Forscher an der NYU Tandon School of Engineering haben eine neue Möglichkeit gefunden, zu identifizieren, die den Zustand der einzelnen Zellen, indem die Prinzipien des Maschinenbaus und der Physik zu tragen, auf Prozesse, die sind jetzt gut verstanden auf der makro-Ebene, aber noch nicht auf zellulärer Ebene: wie Stressoren wie Verletzungen und Krankheiten zwingen den Organismus in eine neue Ebene des Gleichgewichts — ein Biologischer Prozess der Suche nach eine „neue Normalität“ genannt allostasis. Die Ergebnisse der Forscher tragen große Auswirkungen für die Diagnostik und staging der chronischen Krankheiten wie Bluthochdruck und diabetes.

Das team, geführt von Weiqiang Chen, assistant professor für Maschinenbau und Luft-und Raumfahrt und biomedizinische Technik, und Vittoria Flamini, Industrie-Assistenzprofessor von mechanischem und Luft-und Raumfahrttechnik, verwendet live-cell-imaging und eine neuartige Mikro-mechanisches Werkzeug zum anwenden einer vorübergehenden, lokalen physikalischen stress auf die Zellen, während gleichzeitig die Messung von dynamischen allostatische Reaktionen und die Spannung der Zellen zytoskelett (CSK) und anderen zellulären Strukturen, zelluläre Energien.

Die Studie „Energie-Vermittelten Maschinen, Antriebe Zellulären Mechanische Allostasis“, die werden vorgestellt, in Fortschrittlichen Materialien, details wie das team die gemessenen mechanischen Spannungen und Energien der Zellen und im Vergleich der stress-Muster, um diejenigen Zellen in Patienten mit chronischen Erkrankungen wie Typ-II-diabetes, so dass Sie zu bauen, prädiktive Modelle für diabetes und anderen Bedingungen.

Um zu untersuchen, wie die Zellen „umgebaut“ sich durch mechanische und Energie-bezogenen Prozesse in Reaktion auf externe Reize, das team arbeitete eine „Pinzette“, entwickelt von Chen verwendet Ultraschall-Impulsen und „Mikrobläschen“, das befestigen der Membran der Zelle und-wie die Impulse stören die Blasen — üben mechanische Kräfte auf die Zellen. Das team eingebettet ist die Gefäß-Muskel-test Zellen in ein Substrat bestehend aus elastischen Polydimethylsiloxan (PDMS) micropillars. Dieses setup erlaubt Ihnen, zu quantifizieren zelluläre Kraft und Energie, die während der operation durch Messung der Durchbiegungen der micropillar Substrat; Fluoreszenz-Mikroskopie erlaubte es dem team visuell zu überwachen, wie stress neu das CSK, insbesondere seiner Komponenten Aktin und myosin, die, wie Metall-Fasern in einem steel-belted radial tire, kann dysfunktional und verformt, unter die Kraft.

Mit Hilfe experimenteller Ergebnisse, das team baute einen neuen biophysikalischen Modells der Energie-getriebene zelluläre Maschinerie, die für das Verständnis allostasis in den Zellen. In diesem Prozess, der zellulären Energie bietet nicht nur die treibende Kraft für Anpassung, aber auch ein negatives feedback zu helfen, in restabilizing der Zelle-system.

„Eine schiefe Energie-Muster und Zelle Fehlanpassung kann auf eine transformation der gesunde Zustand in einen pathologischen zusammenhängen, wie diabetes, Bluthochdruck oder Alterung,“ sagte Chen.

Die Forscher testeten Ihr Modell auf vier Präsentationen von CSK Spannung, actin und myosin, und die Netto-Energie, die vor, während und nach der Einführung in die Zelle Chemische Mittel, die das generieren von spezifischen dysfunktionalen zellulären mustern, die Phänotypen für die Erkrankung: Zum Beispiel, Störung in eine solche Zelle CSK Strukturen als Aktin-Fasern führen zu einem schwachen anpassungsfähiger Prozess, zeigen unter pathologischen Bedingungen wie diabetes, während der über-Aktivität in Aktin-Polymerisation in den Zellen verursachen können „verlängerte Erregung“ oder „hypo-Reaktivität“ ohne „off“ – Zeit nach einer Störung in den Bedingungen wie Hypertonie.

„Energie-balance ist eine proxy für die Gesundheit“, sagte Flamini. „Energie und Physik sind beteiligt an der zellulären Verhalten; proof-of-concept ist, wie die Energie-Muster sieht für die verschiedenen Bedingungen. Wir haben gezeigt, wir können Vorhersagen, dass.“

„Die Fähigkeit zum erreichen von Stabilität durch Wandel ist eine kritische biologische Anpassung ermöglicht lebenden Organismen zur Stabilisierung von internen und externen Umfeld Veränderungen“, erklärte Sie. „Unklar bleibt jedoch, wie es geschieht in einer einzelnen Zelle. Unsere Forschung befasst sich mit dieser Frage für eine Zelle als system, in dem Energie spielt eine wichtige Rolle in dem Prozess.“

Hinzugefügt Weiqiang, „In Zusammenarbeit mit Kollegen an der NYU Langone Health, das team konzentriert sich auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen, weil Sie direkt mit den mechanischen Verhalten von vaskulären Zellen. In einem Aneurysma, zum Beispiel, die Entzündung wirkt sich auf Proteine, die Regulierung der Elastizität der vaskulären Zellen. Wir sind jetzt auf der Suche, bei der die mechanische Kraft in der Entwicklung von Krankheiten wie diese.“

Einer der nächsten Papier wird das Potenzial dieser Forschung zu beschleunigen-Borreliose-Diagnose und Stadieneinteilung in Aneurysma.