Cơ học đóng một vai trò cơ bản trong sinh học tế bào. Các tế bào điều hướng các lực cơ học này để khám phá môi trường của chúng và cảm nhận hành vi của các tế bào sống xung quanh.
Các đặc tính vật lý của môi trường tế bào lần lượt tác động đến các chức năng của tế bào. Do đó, việc hiểu cách các tế bào tương tác với môi trường của chúng cung cấp những hiểu biết quan trọng về sinh học tế bào và có ý nghĩa rộng lớn hơn trong y học, bao gồm chẩn đoán bệnh và điều trị ung thư.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu khuyến khích các nhà bán lẻ sử dụng AI để phục vụ khách hàng tốt hơn.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều công cụ để nghiên cứu sự tương tác giữa các tế bào và môi trường vi mô 3D của chúng. Một trong những công nghệ phổ biến nhất là kính hiển vi lực kéo (TFM).
Đây là phương pháp hàng đầu để xác định lực kéo trên bề mặt chất nền của tế bào, cung cấp thông tin quan trọng về cách tế bào cảm nhận, thích ứng và phản ứng với các lực. Tuy nhiên, ứng dụng của TFM bị giới hạn trong việc cung cấp thông tin về chuyển động tịnh tiến của các điểm đánh dấu trên chất nền tế bào.
Thông tin về các bậc tự do khác, chẳng hạn như chuyển động quay, vẫn còn mang tính suy đoán do các hạn chế kỹ thuật và nghiên cứu hạn chế về chủ đề này.
Các chuyên gia kỹ thuật tại Đại học Hồng Kông đã đề xuất một kỹ thuật mới để đo trường lực kéo của tế bào và khắc phục lỗ hổng nghiên cứu.
>> Tham khảo: Pha lượng tử mới được phát hiện để phát triển vật liệu lai.
Nhóm nghiên cứu liên ngành do Tiến sĩ Zhiqin Chu thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Điện tử và Tiến sĩ Yuan Lin thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí dẫn đầu.
Họ đã sử dụng các trung tâm điểm trống nitơ (NV) đơn lẻ trong các kim cương nano (ND) để đề xuất một phương pháp điều chế phân cực tuyến tính (LPM) có thể đo cả chuyển động quay và tịnh tiến của các chất đánh dấu trên chất nền tế bào.
Nghiên cứu cung cấp một góc nhìn mới về phép đo trường lực kéo tế bào đa chiều và kết quả đã được công bố trên tạp chí Nano Letters.
Nghiên cứu có tựa đề ‘Điều chế hoàn toàn quang học của các khuyết tật đơn lẻ trong kim cương nano: Tiết lộ các chuyển động quay và tịnh tiến trong các trường lực kéo của tế bào’, cũng được giới thiệu dưới dạng trang bìa phụ của tạp chí.
Nghiên cứu cho thấy các phép đo chuyển động quay và tịnh tiến của các điểm đánh dấu trên bề mặt chất nền tế bào có độ chính xác cao. Những kết quả thử nghiệm này chứng thực các tính toán lý thuyết và kết quả trước đó.
>> Tham khảo: Phân bón hạn chế sự thụ phấn bằng cách thay đổi cách ong nghệ cảm nhận hoa.
Với khả năng quang hóa cực cao, khả năng tương thích sinh học tốt và biến đổi hóa học bề mặt thuận tiện, ND huỳnh quang với trung tâm NV là chất đánh dấu huỳnh quang tuyệt vời cho nhiều ứng dụng sinh học.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng dựa trên kết quả đo lường về mối quan hệ giữa cường độ huỳnh quang và hướng của một trung tâm NV đơn lẻ với hướng phân cực laser, có thể đạt được các phép đo định hướng có độ chính xác cao và hình ảnh không nền.
Do đó, phương pháp LPM do nhóm phát minh giúp giải quyết các nút thắt kỹ thuật trong phép đo lực tế bào trong cơ sinh học, bao gồm sự hợp tác liên ngành từ sinh học, kỹ thuật, hóa học và vật lý.
Tiến sĩ Chu cho biết: “Phần lớn các tế bào trong các sinh vật đa bào trải qua các lực được phối hợp chặt chẽ trong không gian và thời gian. Sự phát triển của kính hiển vi trường lực kéo tế bào đa chiều là một trong những thách thức lớn nhất trong lĩnh vực này”.
“So với TFM thông thường, công nghệ mới này cung cấp cho chúng tôi một công cụ mới và thuận tiện để điều tra sự tương tác giữa ma trận ngoại bào và tế bào 3D thực.
Nó giúp đạt được cả phép đo chuyển động quay-tịch trong trường lực kéo của tế bào và tiết lộ thông tin về lực kéo của tế bào lực lượng,” ông nói thêm.
Điểm nổi bật chính của nghiên cứu là khả năng biểu thị cả chuyển động tịnh tiến và quay của điểm đánh dấu với độ chính xác cao.
>> Tham khảo: Sinh học tổng hợp cho phép vi khuẩn xây dựng cơ bắp.
Đây là một bước tiến lớn hướng tới việc phân tích các tương tác cơ học tại giao diện ma trận tế bào. Nó cũng cung cấp những con đường nghiên cứu mới.
Thông qua các hóa chất chuyên biệt trên bề mặt tế bào, các tế bào tương tác và kết nối như một phần của quá trình gọi là kết dính tế bào. Cách một tế bào tạo ra sức căng trong quá trình bám dính chủ yếu được mô tả là ‘trong mặt phẳng’.
Các quá trình như ứng suất kéo, dòng chảy actin và sự tăng trưởng bám dính đều được kết nối và thể hiện các động lực định hướng phức tạp.
Phương pháp LPM có thể giúp hiểu được các mô-men xoắn phức tạp xung quanh độ bám dính tiêu điểm và phân tách các tải trọng cơ học khác nhau ở cấp độ nano (ví dụ: lực kéo thông thường, lực cắt).
Nó cũng có thể giúp hiểu cách thức tế bào kết dính phản ứng với các loại căng thẳng khác nhau và cách thức các quá trình dẫn truyền cơ học trung gian này (cơ chế mà qua đó các tế bào chuyển đổi kích thích cơ học thành hoạt động điện hóa).
Công nghệ này cũng hứa hẹn cho việc nghiên cứu nhiều quá trình cơ sinh học khác, bao gồm kích hoạt tế bào miễn dịch, hình thành mô, sao chép và xâm lấn tế bào ung thư.
Ví dụ, các thụ thể tế bào T, đóng vai trò trung tâm trong các phản ứng miễn dịch đối với bệnh ung thư, có thể tạo ra các lực cực kỳ năng động cần thiết cho sự phát triển của mô. Công nghệ LPM có độ chính xác cao này có thể giúp phân tích các động lực đa chiều này và đưa ra hiểu biết sâu sắc về sự phát triển của mô.
>> Tham khảo: Giảm thiểu tác động môi trường của thuốc diệt cỏ.
Nhóm nghiên cứu đang tích cực nghiên cứu các phương pháp để mở rộng khả năng chụp ảnh quang học và lập bản đồ đồng thời nhiều kim cương nano.
Bài báo này có tựa đề ‘Điều chế hoàn toàn quang học của các khuyết tật đơn lẻ trong kim cương nano: Tiết lộ các chuyển động quay và tịnh tiến trong các trường lực kéo của tế bào’ được xuất bản trên tạp chí Nano Letters và được giới thiệu dưới dạng trang bìa bổ sung.
