Multi-day single-cell magnetic imaging of living cancer cells using Quantum Cell Monitoring
Diese Arbeit stellt das Quantum Cell Monitoring (QCM) vor, eine Widefield-Stickstoff-Fehlstellen-Magnetometrie-Plattform, die durch die Verfolgung der magnetischen Signaturen eine mehrtägige Bildgebung lebender Krebszellen mit Subzellularauflösung ermöglicht und damit die herkömmliche optische Mikroskopie hinsichtlich der Tiefenbeschränkung und des Photodamages überwindet.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Das Beobachten lebender Zellen während ihrer Bewegung und Teilung über den Verlauf von Tagen hinweg war für Wissenschaftler lange Zeit eine Herausforderung, primär weil die Werkzeuge, mit denen sie sichtbar gemacht werden, auf Licht basieren. Traditionelle Mikroskope beleuchten Zellen mit hellen Strahlen, um sie zum Leuchten zu bringen, aber dieses Licht kann die Biologie, die Forscher eigentlich beobachten wollen, schädigen, was dazu führt, dass sich Zellen seltsam verhalten oder absterben. Zudem streut Licht, während es durch dickes Gewebe dringt, was es unmöglich macht, tief im Inneren einer Probe klar zu sehen. Jahrzehntelang waren Wissenschaftler gezwungen, sich zwischen der klaren Sicht auf Zellen für eine kurze Zeit oder dem Beobachten über einen langen Zeitraum ohne klare Sicht zu entscheiden. Ein neuer Ansatz ist jedoch entstanden, der das Licht vollständig umgeht und unsichtbare Magnetfelder nutzt, um einzelne Zellen über drei Tage hinweg zu verfolgen, ohne sie jemals zu schädigen.
Dieser Durchbruch stammt von einem Forscherteam, das ein System namens „Quantum Cell Monitoring“ entwickelt hat. Anstatt Licht zur Bildaufnahme zu verwenden, nutzen sie eine spezielle Art von Diamantsensor, der unglaublich empfindlich auf winzige Magnetfelder reagiert. Um die Zellen für diesen Sensor sichtbar zu machen, befestigten die Forscher mikroskopisch kleine magnetische Partikel an der Oberfläche lebender Krebszellen. Diese Partikel wirken wie winzige Kompassnadeln. Wenn die Forscher ein sanftes Magnetfeld anlegen, richten sich diese Nadeln aus und erzeugen eine schwache magnetische Signatur, die für jede Zelle einzigartig ist. Der Diamantsensor, der sich direkt unter den Zellen befindet, erkennt diese Signaturen mit einer solchen Präzision, dass er die Position und Form einer einzelnen Zelle kartieren kann, selbst wenn diese von einer Menge anderer Zellen umgeben ist.
Die Forscher testeten diese Methode an menschlichen Kolorektalkarzinomzellen, die sie mit den magnetischen Partikeln markierten und auf den Diamantsensor in einem speziell angefertigten Inkubator platzierten. Dieser Inkubator war entscheidend; er hielt die Zellen lebendig und gesund, indem er die perfekte Temperatur und Nährstoffzufuhr aufrechterhielt, während das Mikroskop arbeitete. Über einen Zeitraum von 72 Stunden machte das System alle acht Stunden Aufnahmen der Magnetfelder. Da die magnetischen Partikel nicht verblassen oder durch Licht beschädigt werden, blieben die Zellen über die gesamte Dauer verfolgbar. Die Ergebnisse zeigten, dass das System einzelne Zellen verfolgen konnte, während sie sich bewegten, teilten und ihre Form veränderten. Es erfasste erfolgreich den Moment, in dem sich eine einzelne Zelle in zwei Teilte, bekannt als Mitose, und verfolgte Zellen sogar, während sie zu dichten Clustern verschmolzen, in denen herkömmliche Lichtmikroskope nicht mehr zwischen den Zellen unterscheiden könnten.
Eine der bedeutendsten Erkenntnisse war die Fähigkeit des Systems, durch die „Menschenmenge“ zu sehen. In dichten Zellgruppen verlieren Lichtmikroskope oft den Kontrast, was es unmöglich macht zu erkennen, wo eine Zelle endet und eine andere beginnt. Der magnetische Ansatz hingegen konnte weiterhin einzelne Zellen innerhalb dieser dichten Cluster auflösen. Die Forscher konnten beobachten, wie Zellen auseinandergingen, zusammenrückten und sogar ihre physische Form veränderten, alles basierend auf den sich ändernden Mustern ihrer Magnetfelder. Sie beobachteten auch, wie Zellen sich streckten und winzige fingerartige Ausstülpungen bildeten – Verhaltensweisen, die charakteristisch für Krebszellen sind. Durch die Analyse, wie sich die magnetischen Signale veränderten, konnte das Team nicht nur bestimmen, wo sich die Zellen befanden, sondern auch, wie viel magnetisches Material jede Zelle trug, was mit der Größe der Zelle und der Anzahl der daran befestigten Partikel zusammenhängt.
Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, lebende Zellen über Tage hinweg ohne die schädlichen Auswirkungen von Licht oder die verschwimmenden Effekte der Gewebestreuung zu überwachen. Die Forscher zeigten, dass sie durch die Änderung der Art und Weise, wie Informationen übertragen werden – von Licht zu statischen Magnetfeldern –, biologische Prozesse beobachten konnten, die zuvor verborgen geblieben waren. Das System erwies sich als robust genug, um den Lebenszyklus von Zellen, einschließlich ihres Wachstums und ihrer Teilung, unter Bedingungen zu verfolgen, die eine lebende Umgebung nachahmen. Während sich die aktuelle Studie auf eine einzelne Zellschicht konzentrierte, legen die Prinzipien nahe, dass diese Methode schließlich eingesetzt werden könnte, um tiefer in Gewebe zu blicken, was potenziell einen neuen Weg eröffnet, die Ausbreitung von Krebs oder die Interaktion von Zellen in komplexen 3D-Strukturen zu untersuchen, ohne die Einschränkungen, die die optische Bildgebung so lange zurückgehalten haben.
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