用AFM研究癌细胞

 

MA（坎塔布）4月份的Cashin-Garbutt对明斯特大学Hermann Schillers教授进行了采访

 

你能简单介绍一下你的研究吗？

 

我为AFM技术，生物医学应用运行核心设施。我的研究集中在血小板和癌细胞的相互作用上。

 

 

血小板几乎在几乎每一个形成转移灶的阶段都支持癌细胞，从免疫监视的逃逸开始，随后是癌细胞捕获到血管壁和外渗。

 

我们的想法是，如果我们能够阻止血小板和循环癌细胞的相互作用，我们可能会发现一些东西来阻止可能对抗癌症的转移灶的形成。

 

你如何使用原子力显微镜成像和力学光谱模式来研究癌细胞的结构和力学性能？

 

在血小板 - 癌细胞相互作用中，我使用单细胞力谱来量化血小板与癌细胞的相互作用，并量化阻止这种相互作用的药物的作用。

 

利用这种技术，我们首次获得了血小板和癌细胞之间的实际力量。微流体实验可以量化癌细胞上的血小板数量，但是我们无法量化这种相互作用的强度。使用单细胞力谱仪，我们得到了picoNewtons（pN）和femtoJoules（fJ）。当你想知道哪种药物能够阻止这种相互作用时，这是必要的。

 

另一点是我们想看看当血小板与癌细胞结合时会发生什么。对形势的实际理解是血小板在循环癌细胞周围形成一种“隐形”隐形斗篷，但我们从未观察到这一点。

 

 

当我们扫描血小板癌细胞聚集时，我们看到癌细胞顶部的血小板在30分钟内消失。使用Resolve的fastTapping模式，我们可以观察到血小板摄入癌细胞。我们用细胞分选和共聚焦显微镜等荧光技术证明了这一点，我们清楚地看到有吸收而不是斗篷形成。

 

目前有多少癌细胞“劫持”血小板的服务？

 

宽广的观点是围绕循环癌细胞的血小板形成斗篷。该层血小板保护癌细胞抵抗免疫系统，并且在下一步中促进癌细胞 - 血小板聚集体向内皮壁的阻滞以开始外渗。

 

由于我们从未观察到这种斗篷形成，但总是观察到癌细胞对血小板的摄取，我们认为癌细胞更可能使用血小板蛋白（血小板特异性粘附分子）粘附在血管壁上，并逃避免疫监视。

 

另外，已知血小板以及血小板衍生的微粒含有mRNA，这改变了癌细胞的蛋白质组。因此，可以采用两种方式：血小板蛋白质直接在血小板摄取后使用，然后使用血小板mRNA产生血小板蛋白质以逃避免疫监视并粘附在血管壁上。

 

AFM如何进一步理解？

 

我们寻找血小板癌细胞相互作用的第一步，但还有几个步骤。我现在试图做的是使用PeakForce QNM来观察与血小板相互作用后癌细胞生物力学变化的模式。

 

到目前为止，我们在癌细胞吞噬血小板的位置找到了一种生物力学足迹。癌细胞膜的弹性和粘度有变化，这可能给我们一些关于癌细胞掺入血小板机制的暗示。我们从实验中知道这是一个依赖dynamin的过程，但是想要更多地了解这个过程。

 

下一步是我们想知道在摄取血小板后癌细胞会发生什么变化。我们再次使用单细胞力谱。我们孵化癌细胞与血小板，然后执行激活内皮单细胞力谱。

 

我们正在寻找对内皮细胞的循环癌细胞的逮捕和量化的粘附力。我们看到，当癌细胞与血小板接触时，与未处理的癌细胞相比，它们对活化的内皮更为粘性。这是我们目前参与的项目之一。

 

我们还在激活的内皮上寻找这些血小板温育的癌细胞的相互作用位点。我不认为血小板孵化的癌细胞可以粘附在活化的内皮上的任何地方。必须有一个特定的偏好网站。

 

 

我们想弄清楚它坚持的地方。这种细胞连接或内皮细胞的细胞体还是内皮细胞需要特殊的机械特性才能与血小板孵育的癌细胞形成良好的转移，然后进行外渗？

 

原子力显微镜对生物和纳米医学研究领域的最大影响是什么？

 

我们能够看到活细胞，甚至在亚细胞结构。它仍然是一种我们被限制在表面的技术，但是当我们施加一点力时，我们就可以看到表面之下，观察细胞骨架动力学。

 

二十年前，有一些细胞的图像比模糊，而不是解决，然后开始越来越多的高分辨率的活细胞成像技术。然而，细胞的纯影像在一段时间后机械特性成为焦点，并且仍然关注活细胞的弹性，粘弹性以及弹性模量的变化。细胞动力学是我们可以遵循的原子力显微镜，它包括生物力学和生物化学。生物力学与生物化学一样重要。

 

生物化学领域是30岁或40岁，细胞生物化学知识非常详细，但生物力学相当新颖。2007年，Michael Sheets和Viola Vogel发表了一篇评论，他们表明机械学影响生物化学，反之亦然。一个例子：当你对蛋白质施加力量时，它可能会打开隐蔽的结合面或破坏结合位点，那么细胞内信号传导途径和细胞行为就会朝不同的方向发展。今天我们知道生物力学影响生物化学和生物化学影响生物力学。

 

布鲁克技术如何帮助或推进生物学研究中的AFM？

 

还有一些窃听模式，这是布鲁克多年前发明的，可以获取有关细胞的信息 - 曲率，细胞高度，提供形态数据。

 

PeakForce QNM的最新成就是在一次扫描过程中，我们获得了活细胞形态和生物力学参数（如弹性，耗散，粘附和变形）的数据集。

 

而且这个速度相当快，特别是在Resolve系统上，这使得我们能够观察到一层细胞，单细胞甚至亚细胞结构如细胞骨架重排的动态变化，时间分辨率在1分钟以内。所以也许你在地形通道上可能没有太大的变化，但是你在数据通道上看到了很多粘连，消散或者弹性。这是一个真正的改进。

 

会议的重要性，像AFM生物医学会议，对你和AFM研究界来说是什么？

 

有人可能会说，今天你可以使用Skype，电子邮件或电话与人联系，但这是不一样的 - 它是完全不同的。当我们参加会议的时候，我们在这里住了几天。

 

一个精心安排的休息时间是会议中最重要的事情，因为人们聚在一起谈论他们在舞台上发言时不会提出的事情。所以讲堂外的时间非常重要，人们讨论如此多的东西和长久的接触从这里开始。

 

许多合作都是从这样的会议开始的。任何一个Skype会议都不能替代人们聚在一起谈话的会议，所以这是绝对必要的。

 

你看到什么方向或者希望看到AFM在未来五年内走向何方？（你认为AFM的下一件大事是什么？）

 

AFM需要的东西之一就是速度。更快的速度意味着你可以在更好的时间分辨率下跟踪细胞的动态。还有一点是，自发明AFM以来，我们已经使用了旧的光学杠杆系统，我认为现在是一个从一个悬臂或一个压头移动到一个多探针阵列原子力显微镜的新系统的时候了。

 

正在讨论几个想法，微米和纳米加工技术已经达到了很高的发展水平。那么，为什么AFM的领先供应商不想通过更根本性的改变来改进AFM技术呢？

 

这样的多探针阵列不仅在速度和分辨率方面是有趣的，而且在测量生物力学特性方面也是有意义的。我们今天做的方式是缩小这个位置的单元格，这个位置，等等。

 

但是我们知道一个细胞会对每一个引起钙峰和细胞骨架重排的压痕作出反应，我们在最后一个缩进中得到的结果与我们在第一个缩进中得到的结果不同。因此，多探针阵列系统对于每个AFM用户尤其是在Bio-AFM应用领域将是非常有用的。

 

在AFM BioMed会谈中提到的另一件事是化学表征。当我们触摸我们的样品时，我们仍然处于盲目折叠的状态。我们可能会感觉到一些东西，但是我们看不到它是什么。例如，尝试使用IR和拉曼光谱; 他们处于研究人员尝试的阶段，但实际上很难处理，并有一些局限性。然而，像这样的东西将有助于获得地形和机械信息旁边的更多信息。

 

例如，当我们可以做一次扫描，发现一些显示高蛋白质含量的僵硬的东西，并且软的区域可能与脂质有关时，这将是一个真正的大的改进。同时记录膜电位与地形，力学和化学特性将是一个非常有用的改善所有生命细胞的研究。