Определение физических свойств клеток помогает врачам диагностировать и отслеживать прогрессирование определенных заболеваний, в числе которых бронхиальная астма. Современные методы включают прямое зондирование клеток с помощью дорогостоящих инструментов, таких как атомно-силовые микроскопы и оптические пинцеты, которые обеспечивают прямой, инвазивный контакт с клетками.
Инженеры разработали способ оценки свойств клетки путем простого наблюдения. Исследователи используют микроскопию, чтобы отмечать постоянные движения частиц клетки – контрольные движения, которые могут быть использованы для оценки “жесткости” клетки. В отличие от применения оптических пинцетов, техника неинвазивна, что сводит к нулю риск изменения или повреждения клетки при исследовании ее содержимого. Жесткость или эластичность клетки могут многое объяснить – например, является ли она здоровой или больной. Известно, что раковые клетки более “мягкие”, чем обычно, в то время как клетки, пораженные бронхиальной астмой, могут быть довольно “жесткими”. Еще в начале двадцатого века Альбертом Эйнштейном была получена формула, которая позволяет рассчитать механические свойства материала, наблюдая и измеряя движение частиц в нем. При этом любые движения частиц должны быть обусловлены влиянием температуры материала, а не внешними силами, действующими на частицы.
Внутри клетки органеллы, такие как митохондрии и лизосомы, постоянно реагируют на температуру клетки. Тем не менее, есть и другие составляющие в виде белков и молекул, которые составляют окружающую цитоплазму. Постоянное размытие активности в клетке затруднило возможность определить, какие движения вызваны температурой, а какие – более активными процессами, просто наблюдая за движением в  клетке. Это ограничение, по словам авторов, затрудняет применение уравнения Эйнштейна при наблюдении и измерении физических свойств клетки.
Ученые решили исследовать температурные движения в клетке, проявляющиеся постоянным смещением ее структур. Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи провели эксперименты на клетках меланомы человека, раковых клетках, которые были выбраны из-за способности быстро расти. Они вносили небольшие полимерные частицы в каждую клетку, затем отслеживали их движения под флуоресцентным микроскопом. Также измерялась устойчивость клеток путем внесения в них раствора соли – процесс, который выводит воду из клеток, делая их более сжатыми и жесткими.
Исследователи записывали видеоролики с разной частотой кадров и наблюдали, как движения частиц менялось в зависимости от жесткости клетки. При частоте выше десяти кадров в секунду заметно было, в основном, смешение частиц на месте; эти вибрации, по-видимому, вызывались только температурой. Только при более низкой частоте кадров ученые обнаруживали более активные случайные движения, причем частицы двигались на большие расстояния в цитоплазме. Сравнив свои расчеты жесткости с фактическими измерениями, выполненными с использованием оптических пинцетов, ученые установили, что их данные соответствовали измерениям только тогда, когда они использовали движение частиц, захваченных на частотах десяти кадров в секунду и выше, что показало – движения частиц, происходящие на высоких частотах, действительно вызваны температурой.
Результаты предполагают, что если наблюдать клетки с достаточно высокой частотой колебаний, они смогут изолировать движения частиц, которые обусловлены исключительно температурой, и определят их среднее смещение – значение, которое можно напрямую использовать в уравнении Эйнштейна для вычисления жесткости клетки, что позволит использовать эту методику для изучения клеток, участвующих в развитии рака, бронхиальной астмы и других болезней, в которых свойства клеток изменяются по мере прогрессирования заболевания.

Источник: Journal of the Mechanics and Physics of Solids