Multi-day single-cell magnetic imaging of living cancer cells using Quantum Cell Monitoring
Questo articolo introduce il Quantum Cell Monitoring (QCM), una piattaforma di magnetometria a campo largo basata su centri azoto-vacanza che consente l'imaging su più giorni e a risoluzione subcellulare di cellule tumorali viventi tracciando le loro firme magnetiche, superando così i limiti di profondità e il fotodanneggiamento inerenti alla microscopia ottica tradizionale.
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Osservare le cellule viventi che si muovono e si dividono nel corso di giorni è stato a lungo una sfida per gli scienziati, principalmente perché gli strumenti utilizzati per vederle si affidano alla luce. I microscopi tradizionali illuminano le cellule con fasci luminosi brillanti per farle risplendere, ma questa luce può danneggiare la stessa biologia che i ricercatori cercano di osservare, causando comportamenti anomali o la morte delle cellule. Inoltre, la luce si disperde passando attraverso tessuti spessi, rendendo impossibile vedere chiaramente all'interno di un campione. Per decenni, gli scienziati sono stati costretti a scegliere tra il vedere le cellule chiaramente per un breve periodo o l'osservarle a lungo senza vederle bene. Un nuovo approccio, tuttavia, è emerso superando completamente la luce, utilizzando campi magnetici invisibili per tracciare singole cellule per tre giorni senza mai danneggiarle.
Questa svolta proviene da un team di ricercatori che ha sviluppato un sistema chiamato Monitoraggio Cellulare Quantistico (Quantum Cell Monitoring). Invece di usare la luce per catturare immagini, utilizzano un tipo speciale di sensore a diamante che è incredibilmente sensibile ai minuscoli campi magnetici. Per rendere le cellule visibili a questo sensore, i ricercatori hanno attaccato particelle magnetiche microscopiche alla superficie di cellule cancerose viventi. Queste particelle agiscono come minuscole bussole. Quando i ricercatori applicano un campo magnetico delicato, queste bussole si allineano e creano una debole firma magnetica unica per ogni cellula. Il sensore a diamante, posizionato appena sotto le cellule, rileva queste firme con tale precisione da poter mappare la posizione e la forma di una singola cellula, anche quando è circondata da una folla di altre.
I ricercatori hanno testato questo metodo su cellule di cancro del colon-retto umano, che hanno marcato con le particelle magnetiche e posizionato sul sensore a diamante all'interno di un incubatore costruito su misura. Questo incubatore era fondamentale; manteneva le cellule vive e sane mantenendo la temperatura e l'apporto di nutrienti perfetti mentre il microscopio lavorava. Per un periodo di 72 ore, il sistema ha scattato istantanee dei campi magnetici ogni otto ore. Poiché le particelle magnetiche non sbiadiscono né vengono danneggiate dalla luce, le cellule sono rimaste tracciabili per l'intera durata. I risultati hanno mostrato che il sistema poteva seguire le singole cellule mentre si muovevano, si dividevano e cambiavano forma. Ha catturato con successo il momento in cui una singola cellula si divide in due, noto come mitosi, e ha persino tracciato le cellule mentre si univano in densi ammassi dove i microscopi ottici tradizionali non riuscirebbero a distinguere una cellula dall'altra.
Uno dei risultati più significativi è stata la capacità del sistema di vedere attraverso la "folla". In gruppi densi di cellule, i microscopi a luce spesso perdono contrasto, rendendo impossibile capire dove finisce una cellula e ne inizia un'altra. L'approccio magnetico, tuttavia, ha continuato a risolvere le singole cellule all'interno di questi densi ammassi. I ricercatori potevano vedere le cellule separarsi, muoversi insieme e persino cambiare la loro forma fisica, tutto basandosi sui cambiamenti dei loro campi magnetici. Hanno anche osservato le cellule allungarsi ed estendere piccole proiezioni simili a dita, comportamenti caratteristici delle cellule cancerose. Analizzando come cambiavano i segnali magnetici, il team poteva determinare non solo dove si trovavano le cellule, ma anche quanto materiale magnetico trasportava ogni cellula, il che è correlato alle dimensioni della cellula e al numero di particelle attaccate ad essa.
Questo lavoro dimostra che è possibile monitorare cellule viventi per giorni senza gli effetti dannosi della luce o gli effetti di sfocatura della dispersione dei tessuti. I ricercatori hanno dimostrato che, cambiando il modo in cui le informazioni vengono trasportate — dalla luce ai campi magnetici statici — potevano osservare processi biologici che erano precedentemente nascosti. Il sistema si è dimostrato abbastanza robusto da tracciare il ciclo vitale delle cellule, inclusi la crescita e la divisione, in condizioni che mimano un ambiente vivente. Sebbene l'attuale studio si sia concentrato su un singolo strato di cellule, i principi suggeriscono che questo metodo potrebbe eventualmente essere utilizzato per guardare più in profondamente nei tessuti, offrendo potenzialmente un nuovo modo per studiare come il cancro si diffonde o come le cellule interagiscono in strutture 3D complesse, senza le limitazioni che hanno frenato l'imaging ottico per così tanto tempo.
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