Biomechanika pojedynczej komórki w aspekcie zmian nowotworowych. Małgorzata Lekka NZ52, IFJ PAN

Transkrypt

1 Biomechanika pojedynczej komórki w aspekcie zmian nowotworowych Małgorzata Lekka NZ52, IFJ PAN

2 O czym będzie mowa: Powstawanie przerzutów Rozpoznawanie pojedynczej komórki rakowej Oddziaływanie komórek z otoczeniem Badania własności powierzchniowych komórek

3 Powstawanie przerzutów Wirtz et al. Nature Reviews Cancer (2011)

4 Zmiany własności pojedynczych komórek prawidłowa rakowa Vedula et al. The IES Journal A, (2009) Różnorodna ekspresja powierzchniowych receptorów (np. receptory HER w raku piersi).

5 Powstawanie przerzutów Powstawanie przerzutów jest procesem wieloetapowym, w którym właściwości adhezyjne, zdolność do deformacji oraz do ich aktywnego ruchu są ważnymi czynnikami wyznaczającymi ich inwazyjność.

6 Powstawanie przerzutów Rak jajnika: rozpychanie się komórek rakowych Powstawanie przerzutów jest procesem wieloetapowym, w którym właściwości adhezyjne, zdolność do deformacji oraz do ich aktywnego ruchu są ważnymi czynnikami wyznaczającymi ich inwazyjność. Iwanicki et al., Cancer Discovery (2011)

7 Cel badań zrozumienie mechanizmu zmian własności mechanicznych (elastyczności i adhezji) komórek w powiązaniu z procesami zachodzącymi podczas powstawania przerzutów praktyczne zastosowanie uzyskanej informacji znalezienie cechy lub grupy cech, która umożliwi np. sortowanie komórek o zadanych własnościach fizycznych

8 Metody badawcze Metody badania własności fizyko-chemicznych pojedynczych komórek pozwalają na rozpoznanie komórek rakowych znajdujących się w otoczeniu komórek zdrowych. Dokładność wykrywania kilkanaście komórek. Jedną z obecnie stosowanych technik jest mikroskopia sił atomowych.

9 Metody badawcze Mikroskop sił atomowych Detektor F L Laser F N Sprężynka z igłą Próbka Mikroskop AFM pracujący w IFJ PAN w Krakowie Skaner

10 Metody badawcze Mikroskop fluorescencyjny J.Gostek, praca mgr, (2012)

11 Metody badawcze Mikroskop fluorescencyjny G-actin F-actin fibroblast 7-9 nm stress fibers keratinocytes 50 μm J.Gostek, praca mgr, (2012) autor: B. Orzechowska

12 Rozpoznawanie komórek rakowych Własności elastyczne pojedynczych komórek komórki nowotworowe są bardziej deformowalne komórki prawidłowe (lub referencyjne z mniej zaawansowanego stadium raka) komórki nowotworowe Pęcherz Czerniak Jelito Lekka et al., Micron (2012) Lekka et al., Arch. Biochem. Biophys., (2012)

13 Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można rozpoznać pojedynczą komórkę o zmienionych własnościach mechanicznych? Lekka et al. Micron 2012

14 Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można rozpoznać pojedynczą komórkę o zmienionych własnościach mechanicznych? HCV29 sprężynka z igłą T24 T24 komórki HCV29 Lekka et al., Micron (2012) stężenie komórek: Lekka et al. Micron (T24) & (HCV29) per ml; po 24h hodowli

15 Liczba komórek Rozpoznawanie komórek rakowych Elastyczność komórek w mieszaninach pokrywa się z elastycznością komórek hodowanych oddzielnie Lekka et al., Micron (2012)

16 Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można zaobserwować zmianę elastyczności w tkankach?

17 Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można zaobserwować zmianę elastyczności w tkankach? Pomiary makroskopowe silnie zaawansowane nowotwory Lee et al., Yonsei Med. J. (2011) Krouskop et al. Ultrasonic Imaging, (1998)

18 Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można zaobserwować zmianę elastyczności w tkankach? 5, 10, 20 microns margins 20 um cancer Lekka et al., Arch. Biochem. Biophys. (2012); Lekka et al., Nature Nanotech., (2009)

19 Liczba próbkowań Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można zaobserwować zmianę elastyczności pojedynczych komórek w tkankach? tkanka prawidłowa E [kpa] Nguyen et al., Pattern Rec. Lett Wymagana jest korelacja pomiędzy obrazem mikroskopowym a profilem elastyczności

20 Liczba próbkowań Rozpoznawanie komórek rakowych Czy można zaobserwować zmianę elastyczności pojedynczych komórek w tkankach? tkanka rakowa E [kpa] Nguyen et al., Pattern Rec. Lett Wymagana jest korelacja pomiędzy obrazem mikroskopowym a profilem elastyczności

21 Rozpoznawanie komórek rakowych Korelacja pomiędzy obrazem mikroskopowym a profilem elastyczności B.Orzechowska, praca mgr, 2012

22 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Butcher et al. Nature Reviews Cancer (2009)

23 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Macierz zewnątrzkomórkowa (białka: fibronektyna, laminina) łańcuchy cukrowe białka białko z łańcuchem cukrowym dwuwarstwa lipidowa białka Lekka Cellular Analysis by AFM, monografia (Stanford, 2014/2015) Cytoszkielet (włókna aktynowe)

24 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Znaczenie własności fizyko-chemicznych w charakterze wzrostu i własnościach komórek selektywna identyfikacja pojedynczych komórek w oparciu o przypisane im parametry fluorescencyjne, morfologię komórki i ich własności mechaniczne. Zmiany nowotworowych występujące na powierzchni komórki lub bezpośrednio pod jej powierzchnią.

25 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Sackmann et al., ChemPhysChem (2002) Czy odpowiedź komórkowa jest zalezna od sztywności podłoża, rodzaju komórek i obecności białek ECM?

26 Oddziaływanie komórek z otoczeniem czerniak Sackmann et al., ChemPhysChem (2002) oddziaływania nie-specyficzne K.Mayr (JKU Linz) & J.Gostek, 2013

27 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Własności powierzchni mogące wpływać na zachowanie się komórek skład chemiczny topografia hydrofobowość/hydrofilowość elastyczność podłoża poli(dimetylosiloksan) (PDMS) możliwa zmiana elastyczności (regulacją czasu wygrzewania lub udziału czynnika sieciującego) Sz. Prauzner-Bechcicki (praca dr)

28 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Sz. Prauzner-Bechcicki (praca dr)

29 Oddziaływanie komórek z otoczeniem szkło Sz. Prauzner-Bechcicki (praca dr)

30 Oddziaływanie komórek z otoczeniem szkło E tot = E adh + E ela Sz. Prauzner-Bechcicki (praca dr)

31 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Mohammadi et al. Soft Matter, (2010)

32 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Szkiełko nakrywkowe ~ warstwa białka kilka μm ~ 500 μm warstwa żelu

33 PC3 Du145 Oddziaływanie komórek z otoczeniem Szkiełko nakrywkowe ~ warstwa białka kilka μm ~ 500 μm warstwa żelu Zmiana morfologii komórek w odpowiedzi na sztywność podłoża ~ 6,5 kpa ~ 100 kpa Szkło ~ 6,5 kpa ~ 100 kpa Szkło K. Pogoda (praca dr)

34 Oddziaływanie komórek z otoczeniem sztywne podłoże - szkło Moduł Young a komórki rośnie wraz ze wzrostem sztywności podłoża w obecności białek macierzy zewnątrzkomórkowej K. Pogoda (praca dr) (charakter wzrostu może różnić się w zależności od typu komórki)

35 Skład chemiczny powierzchni komórek Macierz zewnątrzkomórkowa (białka: fibronektyna, laminina) łańcuchy cukrowe białka białko z łańcuchem cukrowym dwuwarstwa lipidowa białka Lekka Cellular Analysis by AFM, monografia (Stanford, 2014/2015) Cytoszkielet (włókna aktynowe)

36 Skład chemiczny powierzchni komórek zmiany obserwowane w błonie komórkowej zmiany własności wybranych cząsteczek znajdujących się na powierzchni komórek

37 Skład chemiczny powierzchni komórek Spektrometria masowa jonów wtórnych powierzchniowa zdolność rozdzielcza 200 nm głębokościowa zdolność rozdzielcza 10 nm J.Gostek (praca dr) ToF-SIMS jest dostępny na bazie podpisanego porozumienia IF UJ a IFJ PAN

38 Skład chemiczny powierzchni komórek Spektrometria masowa jonów wtórnych J.Gostek (praca dr)

39 Skład chemiczny powierzchni komórek ToF SIMS + PCA E [kpa] R = HCV29 J.Gostek (praca dr) 5 HTB9 HT1376, T Q Residuals

40 Skład chemiczny powierzchni komórek zmiany obserwowane w błonie komórkowej zmiany własności wybranych cząsteczek znajdujących się na powierzchni komórek Czy zmienionej liczbie receptorów powierzchniowych towarzyszy zmiana siły oddziaływania?

41 Wybrane cząsteczki powierzchniowe N-kadheryna WM115 primary skin melanoma (ATCC); WM266-4 skin metastasis of skin melanoma (ATCC, same patient as WM115); [kda] WM266-4 WM115 Elektroforeza próbki standard 100 N-cadherin [kda] 55 WM266-4 WM β-actin

42 Wybrane cząsteczki powierzchniowe N-kadheryna WM115 WM266-4 WM115 primary skin melanoma (ATCC); WM266-4 skin metastasis of skin melanoma (ATCC, same patient as WM115);

43 Podsumowanie Wykorzystanie metod pozwalających na pomiar własności fizycznych żywych komórek pozwoli na poznanie roli otoczenia komórek w powstawaniu przerzutów. Profil elastyczności Lekka, Nature Nanotech. (2012)

44 Skład grupy Pracownia Badań Mikroukładów Biofizycznych 1. Małgorzata Lekka (profesor wizytujący - program WZROST, UMK 2011) 2. Zbigniew Stachura 3. Joanna Wiltowska-Zuber 4. Joanna Pabijan Doktoranci 1. Szymon Prauzner-Bechcicki (Preludium, Etiuda) 2. Katarzyna Pogoda (Fulbrigt) 3. Justyna Gostek 4. Barbara Orzechowska Dorobek naukowy w latach realizacja 2 projektów NCN - Harmonia, Preludium ( ), - zadania wykonywane w ramach Akcji COST TD1002 (AFM4NanoBioMed), projekt SMW (FP7 EU), realizowany w okresie Publikacje: 29 pozycji w tym 5 pozycji (> 45 pkt): Biosensors & Bioelectronics, 2 x Nature Nanotechnology, Biomaterials, Nanomedicine. Monografia Cellular Analysis by Atomic Force Microscopy wydawnictwo Stanford 2014/2015.

45 Współpraca Katedra Biochemii Lekarskiej Collegium Medium UJ (prof. P. Laidler) Zakład Inżynierii Nowych Materiałów Instytut Fizyki UJ (prof. A.Budkowski)

46 Dziękuję